공명하는 진동

공명하는 진동은 외부에서 가해지는 주기적인 힘의 진동수와 어떤 계(system)의 고유 진동수가 일치하거나 매우 가까워질 때, 그 계의 진폭이 현저하게 증가하는 현상을 말한다. 이때 계는 외부 에너지에 효율적으로 반응하여 큰 진동을 일으키게 된다.

설명

모든 물리적 계는 특정한 진동수에서 가장 쉽게 진동하려는 경향이 있는데, 이를 고유 진동수(natural frequency)라고 한다. 외부에서 가해지는 힘의 진동수가 이 고유 진동수와 일치하면 공명 현상이 발생한다. 공명 현상이 발생하면 계는 에너지를 흡수하여 진폭이 기하급수적으로 증가할 수 있다.

예시

• 소리: 악기의 현이나 공명통은 특정 진동수에서 공명하여 소리를 증폭시킨다. 예를 들어 기타의 현을 튕겼을 때 현의 진동수가 기타 몸체의 고유 진동수와 일치하면 소리가 크게 울려 퍼진다.
• 기계: 다리나 건물과 같은 구조물은 특정 진동수에서 공명할 수 있으며, 강한 바람이나 지진과 같은 외부 힘이 이 진동수와 일치하면 심각한 손상을 입을 수 있다. Tacoma Narrows Bridge 붕괴 사고가 대표적인 예이다.
• 전기: 전기 회로에서 인덕터와 커패시터는 특정 주파수에서 공명하며, 이를 이용하여 특정 주파수의 신호만 통과시키는 필터를 만들 수 있다.
• 원자: 원자는 특정 진동수의 빛을 흡수하여 에너지를 높일 수 있으며, 이를 이용하여 분광학 연구를 수행한다.

활용

공명 현상은 파괴적인 결과를 초래할 수도 있지만, 다양한 분야에서 유용하게 활용될 수 있다. 앞서 언급한 악기, 필터, 분광학 외에도 MRI(자기 공명 영상)와 같은 의료 기술에도 활용된다.

참고 문헌

• Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2013). Fundamentals of Physics (10th ed.). Wiley.
• Tipler, P. A., & Mosca, G. (2008). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). W. H. Freeman.