Q. 머리카락이 허리까지 오는데 걷거나 뛸 때 머리카락이 좌우로 찰랑찰랑 움직입니다. 왜 머리카락이 좌우로 흔들리나요?


A. 머리카락을 하나의 진자로 생각해 보세요. 사람이 뛰면서 발을 내디딜 때 좌우 발에 바닥의 충격이 전해집니다. 이때 작용하는 힘이 머리카락에 가해져 좌우로 진동을 하게 되는 것입니다. 물리에서는 이것을 강제진동이라고 합니다. 외부에서 진동체에 계속 힘을 주는 것이죠.


특히 이 힘이 머리카락이 흔들리는 진동수와 일치하면 더 크게 흔들릴 수 있습니다. 이런 현상을 공명(공진)이라고 하는데, 강제 진동의 진동수와 물체의 고유 진동수가 같아지면서 진폭이 커지는 현상이지요. 에너지는 진폭의 제곱에 비례하므로 공명현상이 일어나면 큰 에너지를 냅니다.


그네의 운동을 생각해 보면 이해가 빠릅니다. 그네를 신나게 타려면 친구가 그네가 움직이는 방향과 같은 방향으로 밀어줘야 합니다. 즉 앞으로 나올 때는 앞으로, 뒤로 갈 때는 뒤로 당겨줘야 점점 큰 진폭으로 그네가 움직입니다. 만약 반대로 하면 그네가 멈춰 버립니다.


전자레인지로 음식을 데우는 것도 공명현상을 이용한 것입니다. 파장이 약 1.2㎝인 마이크로파를 방출해 음식 속의 물분자를 진동시킵니다. 음식물 속의 물분자가 공명 현상에 의해 맹렬히 진동하면 분자 운동으로 발생하는 열에너지가 음식물의 온도를 높이는 것이지요.


1831년 영국의 한 보병 부대가 맨체스터 근처의 다리를 지나가게 되었는데, 우연히 다리 고유의 진동수에 맞춰 행진하는 바람에 다리가 무너진 일도 있었습니다. 행진하는 군인의 규칙적인 발걸음이 다리의 고유 진동수 중 하나와 같아 진폭이 증가해 커다란 진동이 생겼기 때문입니다. 그래서 공명을 아는 군인들은 다리를 건널 때 발을 맞추지 않는다고 하죠. 요즘 짓는 건물은 바람과 같은 외부자극에 공명이 일어나지 않도록 진동을 바꾸어 주는 설계를 해서 예방을 하고 있다고 합니다.


/한국과학문화재단(www.scienceall.com)/

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