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小鸡科学专栏 by 병아리
小鸡科学家的科学专栏。借由时代话语看见科学的再发现。新概念的科学专栏。
알고 보면, 세상의 모든 것은 진동하고 있다
어린 시절 누구나 한번은 잔잔한 호숫가에 조약돌을 던져 봤을 것이다. 천진한 어린아이들이 호숫가에 조약돌을 던지는 모습을 시인이 본다면, 즉시 감동적인 시상을 떠올릴 것이다. 하지만 물리학자가 이 장면을 본다면, 순수한 동심을 떠올리거나 감동적인 시상을 떠올리기 보다는 불행히도 파동 방정식을 생각에 떠올릴 가능성이 크다.
r분의 1로 감소하는 공간적인 에너지 흐름율(flux)과 물의 점성에 의한 파동의 감쇠…….
물리학자는 심각한 표정을 짓는다. 작은 호수에서 시작한 생각은 이내 우리가 살고 있는 우주와 삶에 대한 생각으로 깊이를 더하며 생각의 마침표를 찍는다.
‘하나님이 창조하신 이 세상은 정말 신비하고, 오묘하구나!’ 아름다운 호숫가에서 턱을 괴고 심각한 표정을 짓고 있던 물리학자는 이제, 기쁨의 미소를 짓는다.
잔잔히 물결이 퍼지는 파동 현상은 작은 호숫가에 국한된 현상이 아니다.
파동 현상은 우주 전체에 걸쳐 광범위하게 나타나고, 현상의 기본은 호숫가에서나 우주에서나
상관없이 동일하기 때문이다. 그래서 호수 속에 물결의 규모를 확대하여 생각하면
천문현상을 이해할 수 있고, 축소하여 생각하면 보이지 않는 미시(microscopic) 현상을
이해할 수 있다. 알고 보면, 세상의 모든 것은 진동하고 있다.
파동은 진동이 공간적으로 전파되는 현상이다.
태풍이 불어도 꿈쩍할 것 같지 않은 고층 건물과 대형 토목 건축물도 눈에 띄지 않을 뿐,
고유한 주파수를 갖고 끊임없이 진동한다. 1940년 11월 7일 일어난
미국의 타코마(Tacoma) 다리 붕괴 사건은 건물의 고유 주파수의 중요성을 눈으로 보여준 사건이다. 바닷가 해협에 건설된 이 다리는 853m에 이르는 거대한 현수교로 초속 53m의 강풍에도
끄떡없도록 튼튼하게 설계돼 있었으나, 사건 당일 불과 초속 19m의 바람에 무너졌다.
타코마 다리 붕괴 https://youtu.be/7mF28cp1hGg
붕괴 원인은 공진에 있었다. 그네를 밀 때, 그네의 진동 주기에 맞게 밀어주면 그네의 진폭이 점점 커진다. 이처럼 건물의 고유 진동수에 맞게 외부의 힘이 가해지면 진동이 점점 증폭되는데,
타코마 다리에서는 바람이 교량에 부딪히며 소용돌이가 발생하는 진동수와 고유 진동수가
맞아 떨어져 공진을 일으켰다.
물이나 바람의 흐름이 긴 원통형의 구조물이나, 에어포일(airfoil, 비행기 날개 형태의 구조물)을 가로질러 흐르면, 카르만 와류가 발생한다. 깃발이 바람 부는 쪽으로 평평하게 펴져있지 않고
펄럭이는 이유도 깃대를 지난 바람이 만든 카르만 와류 때문이다.
빠른 공기 흐름이 높은 산 등을 지날 경우 기상 사진에 거대한 카르만 와류가 잡히기도 한다.
우리나라 제주도의 중앙에는 한라산이 원뿔 모양으로 우뚝 솟아 있어,
강한 바람이 한라산을 통과하면 카르만 와류가 형성된다.
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- 날짜
- 2015/9/15
