파동의 성질 — 진폭·파장·진동수는 무엇이 다를까

바닷가에 떠 있는 부표를 한참 바라보면 파도가 지나갈 때마다 위아래로 오르내리기만 하고 떠내려가지 않습니다. 파도는 분명 해안 쪽으로 밀려오는데 부표는 왜 그 자리일까요. 파도가 나르는 것이 물이 아니기 때문입니다. 이것이 파동의 성질 가운데 첫째입니다.

파동은 물질이 아니라 에너지를 옮깁니다

줄의 한쪽 끝을 잡고 위아래로 한 번 흔들면 굽은 자리가 줄을 따라 반대쪽으로 달려갑니다. 그런데 줄 위에 리본을 묶어 두고 보면 리본은 제자리에서 오르내릴 뿐 반대쪽으로 가지 않습니다. 흔들림을 전해 주는 줄이나 물 같은 물질을 매질이라고 하고, 매질의 각 부분은 제자리에서 진동만 합니다. 옮겨 가는 것은 흔들림과 그 에너지입니다. 파동을 처음 만든 곳이 파원입니다.

매질이 진동하는 방향과 파동이 나아가는 방향의 관계로 파동을 둘로 가릅니다. 줄의 파동처럼 매질이 진행 방향에 수직으로 진동하면 횡파입니다. 물결파와 빛이 여기 듭니다. 용수철을 앞뒤로 밀고 당길 때처럼 매질이 진행 방향과 나란히 진동하면 종파입니다. 빽빽한 부분인 밀과 성긴 부분인 소가 번갈아 전해지며, 소리가 대표적인 종파입니다. 땅속을 지나는 지진파는 P파가 종파, S파가 횡파입니다.

진폭과 파장 — 어느 순간의 모양

어느 한 순간에 사진을 찍듯 매질 전체의 모양을 그린 것이 변위–위치 그래프입니다. 가장 높이 올라간 자리가 마루, 가장 낮게 내려간 자리가 골입니다. 진동하지 않을 때의 자리에서 마루까지의 높이가 진폭입니다. 마루에서 골까지의 높이가 아니라 그 절반입니다. 이웃한 마루와 마루, 또는 골과 골 사이의 거리가 파장이고 기호는 $\lambda$ 입니다.

진폭은 파동이 나르는 에너지와 이어집니다. 소리라면 진폭이 클수록 큰 소리이고, 물결이라면 높은 파도입니다. 파장은 모양의 되풀이 단위입니다. 마루에서 다음 마루까지, 어느 점에서 재든 같은 상태가 다시 나오는 거리입니다.

주기와 진동수 — 한 점이 흔들리는 빠르기

이번에는 매질의 한 점만 골라 그 점의 변위를 시간에 따라 적습니다. 이것이 변위–시간 그래프입니다. 모양은 앞 그래프와 똑같은 물결이지만 가로축이 거리가 아니라 시간입니다. 여기서 이웃한 마루 사이의 간격은 그 점이 한 번 진동하는 데 걸린 시간, 곧 주기 $T$ 입니다. 1초에 몇 번 진동하는지를 세면 진동수 $f$ 이고 단위는 Hz 입니다. 주기와 진동수는 서로 역수입니다.

파동은 한 주기 동안 한 파장만큼 나아갑니다. 그래서 속력은 파장을 주기로 나눈 값입니다.

이 식에서 가장 자주 틀리는 것이 속력의 주인입니다. 파동의 속력은 매질이 정합니다. 같은 줄에서는 빨리 흔들든 천천히 흔들든 파동이 같은 속력으로 갑니다. 진동수는 파원이 정하므로, 빨리 흔들어 진동수를 높이면 속력은 그대로이고 파장이 짧아집니다. 거꾸로 파동이 다른 매질로 들어가면 속력이 바뀌지만 진동수는 그대로이고 파장이 따라 바뀝니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 변위–위치 그래프에서 읽는 것. 진폭(축에서 마루까지)과 파장(마루에서 다음 마루까지). 가로축이 위치입니다.
• 변위–시간 그래프에서 읽는 것. 진폭과 주기. 가로축이 시간입니다. 두 그래프의 모양이 같아 가로축 이름부터 봅니다.
• 두 그래프를 함께 주고 속력 구하기. 파장은 위치 그래프에서, 주기는 시간 그래프에서 읽어 $v = \lambda / T$.
• 같은 매질에서 진동수를 높이면. 속력 그대로 · 파장 감소. 진폭은 바뀌지 않습니다.
• 다른 매질로 들어가면. 진동수 그대로 · 속력과 파장이 함께 바뀜.
• 횡파·종파 가르기. 매질의 진동 방향이 진행 방향에 수직이면 횡파, 나란하면 종파. 소리와 P파는 종파, 빛과 S파와 줄의 파동은 횡파.

자주 헷갈리는 것

• "파동이 지나가면 매질도 함께 이동한다" — 매질은 제자리에서 진동합니다. 부표가 떠내려가지 않는 까닭입니다.
• "진폭이 크면 파동이 빠르다" — 속력은 매질이 정합니다. 진폭은 에너지의 크기이지 빠르기가 아닙니다.
• "진동수를 높이면 속력도 빨라진다" — 같은 매질에서는 속력이 그대로이고 파장이 짧아집니다.
• "변위–시간 그래프의 마루 사이가 파장이다" — 가로축이 시간이니 그것은 주기입니다. 파장은 변위–위치 그래프에서만 읽습니다.
• "마루에서 골까지가 진폭이다" — 그 절반입니다. 진폭은 진동의 중심에서 마루까지입니다.

정리합니다. 파동은 매질을 옮기지 않고 에너지를 옮기며, 매질의 진동 방향에 따라 횡파와 종파로 나뉩니다. 변위–위치 그래프에서는 진폭과 파장을, 변위–시간 그래프에서는 진폭과 주기를 읽습니다. 속력은 파장을 주기로 나눈 값이고, 그 속력을 정하는 것은 파원이 아니라 매질입니다.