기계적 파동

매질에 기계진동이 전파되는 것을 기계파(mechanical wave)라고 합니다. 기계파는 전자파와 유사하면서도 다른 점이 있습니다. 기계파는 기계진동에 의해 발생하며 전자파는 전자기발진에 의해 발생합니다. 기계파의 전파는 특정한 매질을 필요로 합니다. 서로 다른 매체에서의 전파속도도 다릅니다. 진공에서는 전혀 전파할 수 없습니다. 전자파(예: 광파)는 진공에서 전파될 수 있습니다. 기계파는 횡파와 종파가 될 수 있지만 전자파는 횡파일 수 있습니다. 기계파와 전자파의 많은 물리적 성질은 다음과 같습니다. 굴절반사, 등 굴절반사흔한 기계파로는 다음과 같은 물파, 음파, 지진파가 있습니다.

기계파와 기계진동의 관계
기계 진동은 기계파를 발생시킵니다. 기계파의 전달은 반드시 매질이 있어야 합니다. 기계 진동이 있지만 반드시 기계파가 발생하는 것은 아닙니다.

 

형성 조건

파원
파원을 진원(振源)이라고도 하는데, 진동의 전파를 유지하고, 끊김 없이 에너지를 입력하며, 파장을 낼 수 있는 물체나 물체가 있는 초기 위치를 말합니다. 파원은 기계파 형성의 필수 조건이며 전자파 형성의 필수 조건입니다.
파원은 진동이 시작되는 첫 번째 질점이라고 생각할 수 있습니다. 파원이 진동하기 시작하면 매질 내의 다른 질점들은 파원의 주파수로 박진동을 받습니다. 파원의 주파수는 파의 주파수와 같습니다.

 

미디어

넓은 의미의 매질은 하나의 물질을 포함하는 또 다른 물질일 수 있습니다. 기계파에서,매질특은 기계파를 이용하여 전파하는 물질을 말합니다. 파원만 있고 미디어가 없는 경우 기계파는 발생되지 않습니다. 예를 들어 진공의 알람은 소리를 낼 수 없습니다. 매질에서 기계파의 전파속도는 매질 자체의 고유한 성질에 의해 결정됩니다. 미디어마다 파속이 다릅니다.
아래 표에서는 0℃의 음파가 서로 다른 매체에서 전파되는 속도를 나타냅니다. 

 

전파 방식

질점 운동
기계파는 전파 과정에서 모든 질점은 상하(좌우)의 간략한 공진동만을 합니다. 즉, 질점 자체가 기계파의 전파에 따라 나아가지 않습니다. 즉, 기계파의 일질점 운동은 수평 일직선으로 진행됩니다. 예를 들어 사람의 성대는 음파가 전파되면서 입안을 떠나지 않습니다. 제인은 진동을 등폭 진동을 합니다. 이상적인 상태에서는 에너지가 일정하게 유지되는 운동을 한다고 볼 수 있습니다. 감쇠 진동은 에너지가 점차 손실되는 운동입니다.

줄파
줄파는 간단한 횡파의 일종입니다. 일상 생활에서 우리가 줄의 한쪽 끝을 들어 한번 떨면 하나의 파형이 줄 위에서 전파되는 것을 볼 수 있습니다. 연속적으로 주기적인 상하 떨림을 하면 줄파가 형성됩니다.
끈을 여러 부분으로 나누어 작은 부분마다 하나의 질점으로 보고, 두 질점 사이에 인접하여 탄력있는 상호작용을 합니다. 첫 번째 질점이 외력 작용에 의해 진동하면 두 번째 질점 진동을 이끌게 됩니다. 다만 질점 2의 진동은 전자보다 뒤떨어집니다. 그러면 앞의 질점의 진동이 뒤의 질점의 진동을 움직여 차례로 움직여 나가면 진동 영역이 먼 곳으로 전파되어 줄파동이 됩니다. 만약 밧줄의 전임자에서 붉은 천을 한 점만 취하여 묶는다면, 우리는 붉은 천이 상하로 진동할 뿐, 결코 파도에 따라 전진하지 않는다는 것을 발견할 수 있습니다.

이로써, 매질 내의 모든 질점은 파동이 전파될 때 간단한 고조진동(위아래도 좌우도 가능)만을 합니다. 기계파는 하나의 운동형식의 전파로 볼 수 있습니다. 질점 자체가 파의 전파방향을 따라 움직이지 않습니다.
질점 운동 방향에 대한 판정에는 앞의 질점을 비교하는 운동과 같은 여러 방법이 있습니다. 파의 전파 방향을 따라 위로는 평형 위치에서 벗어난 질점을 아래로, 아래로는 평형 위치에서 벗어난 질점을 위로 운동하는 '오르막, 내리막, 내리막'으로 판정할 수도 있습니다.

 

본질을 전파
기계파가 전파되는 과정에서, 매질 내에 원래 상대적으로 정지되어 있던 질점이 기계파의 전파에 따라 진동하는 것은 이 질점들이 에너지를 얻었음을 나타냅니다. 이 에너지는 파원에서 앞의 질점을 통해 순차적으로 전달됩니다. 그래서 기계파 전파의 실질은 에너지의 전파입니다.  이 에너지는 아주 작을 수도 있고 클 수도 있습니다. 바다의 조력 에너지는 심지어 발전에도 사용될 수 있습니다. 이것은 기계파(물파)의 전파를 유지하는 에너지를 전기에너지로 전환한 것입니다.

호이겐스 원리(Huygens principle)
휘경스의 원리는 구면파와 평면파의 전파를 설명하는 데 사용되며, 그 밖에 파의 반사, 회절의 현상도 설명할 수 있습니다.
많은 실험을 총결산한 기초 위에서 네덜란드의 과학자 호이킨스는 다음과 같이 제안했습니다. 매질에서 파진면의 모든 점(수많은 점)은 새로운 파원으로 볼 수 있습니다. 이러한 새로운 파원이 내는 자파들입니다. 일정 시간이 지나면 이 자파의 포락면은 다음 순간 파면이 됩니다.
휘경스 원리에 따르면, 구면파의 파면이 어떻게 형성되는지 설명할 수 있습니다. 오른쪽 그림에서 점파원 O에서 나오는 파장은 t 시각의 파면에서 구면 S1입니다. 이 구면의 모든 점들은 각각 구면파를 앞으로 내뿜는 새로운 점파원으로 볼 수 있습니다. 다음 시간 (t+△t) 새로운 파면 S2입니다. 바로 이러한 자파면들의 파면이 서로 접하는 포락 평면입니다.

호이겐스 원리의 한계
① 자파의 강도 분포에 대해서는 설명하지 않았습니다.
②왜 파문이 앞으로만 전파되고 뒤로만 전파되는지에 대해서는 설명하지 않았습니다.
그러다가 호이겐스 원리를 중요하게 보완해 호이겐스-휘네르 원리를 만들면서 이런 결함은 극복됐습니다.

 

기계파의 전파에 따라 매질 중의 질점이 진동합니다. 질점의 진동 방향과 전파의 전파 방향 사이의 관계에 따라 기계파를 횡파와 종파로 나눌 수 있습니다.

 

횡파
물리학에서는 질점의 진동 방향과 파의 전파 방향을 수직으로 하는 파동을 횡파라고 합니다. 횡파 중에서 볼록한 가장 높은 곳을 파봉, 오목한 가장 낮은 곳을 파곡이라고 합니다.
줄파는 흔히 볼 수 있는 가로파입니다.

종파
물리학에서는 질점의 진동방향과 파의 전파방향이 같은 일직선에 있는 파장을 종파라고 합니다. 질점은 종파가 전파될 때 진동합니다. 이 중 질점 분포가 가장 밀집된 곳을 밀부(密部), 질점 분포가 가장 드문드문한 곳을 소부(疏部)라고 합니다.
음파는 흔히 볼 수 있는 종파입니다.

 

파형 곡선

끈이 흔들리는 어느 시점에 사진을 찍으면 그 시각의 파형을 얻을 수 있습니다. 이 파형은 같은 시각에 서로 다른 변위를 갖는 줄 위의 각 질점으로 이루어져 있습니다. 파형에 좌표계를 추가하면 이 파장의 이미지를 얻을 수 있습니다. 가로 좌표 x는 전파 방향의 각 질점의 평형 위치를 나타내며, 세로 좌표 y는 각 질점이 평형 위치를 벗어나는 크기를 나타내며, 변위 방향을 정점으로 나타냅니다. 좌표면에서 각 질점의 x, y 값으로 대응점을 만들어 매끄러운 곡선으로 연결하면 그 시각파의 이미지를 얻습니다. 파형 곡선 또는 파형이라고도 합니다. 파장의 그림에서는 보통 화살표로 파장을 나타냅니다. 

파형곡선은 진동영상과 차이가 있습니다. 진동영상은 진동물이 다른 시각에 변위하는 것이고, 파형곡선은 특정 시각의 모든 질점의 변위입니다. 파형곡선에서 우리는 같은 시각의 모든 질점의 변위, 방향, 그리고 파장, 주기 등의 물리량을 읽을 수 있습니다.

 

심플 하모닉 웨이브(simple harmonic wave)
만약 미디어 내의 각 질점이 간략하고 조화로운 운동을 한다면, 그것의 파형은 가장 기본적이고 간단한 파장입니다. 이를 간략하고 고조파라고 합니다. 파형은 사인(혹은 코사인) 곡선입니다. 다른 파장은 약간의 간고조파가 합쳐진 것으로 볼 수 있습니다.

기계파를 묘사하는 물리량은 전자기파에도 해당하기 때문에 여기서 기계파를 줄여서 파라고 부르기도 합니다.

 

파장입니다 (wave length)
파장의 전파방향을 따라 인접한 두 개의 상대평형위치의 변위와 진동방향이 항상 같은 질점간의 거리를 파장이라고 하며, 흔히 λ을 나타냅니다. 횡파에서 파장은 '파봉-파봉'의 길이 또는 '파곡-파곡'의 길이와 같으며, 종파에서 파장은 '밀부-밀부' 또는 '소부-소부'의 길이와 같습니다.

주파수와 주기
파상의 어느 하나의 질점이 한번의 전진동을 완성하는 데 필요한 시간을 주기라고 합니다. 자주 T로 표시하고 단위는 s로 표시합니다. 미디어 내의 질점 단위 시간 내에 전진동을 완료하는 횟수를 파의 주파수라고 합니다. 자주 f로 표시하고, 단위는 Hz로 표시합니다. 주파수는 주기의 역수입니다.

웨이브스피드(wave speed)
파속(波速)은 단위 시간 동안 파가 매개체에 전파되는 거리로 파장과 주파수의 곱(v=λf)으로 파재의 전파 속도를 나타냅니다. 기계파의 특정 매체에서의 전파 속도는 일정합니다.