횡파

파동은 진동하는 유형에 따라 횡파(transverse wave)와 종파(longitudinal wave)로 나뉜다. 종파는 파동이 진행하는 방향으로 흔들리는 변위가 일어나는 파동이고, 횡파는 진행 방향에 수직하게 변위가 일어나는 파동이다. 종파와 횡파는 각각 평행(진동)파와 수직(진동)파라고도 한다.

그림 1은 횡파와 종파를 나타낸다. 소리는 공기나 물과 같은 유체 속에서 전파될 때 종파의 성분만 가지나, 고체 속에서는 종파와 횡파 성분 모두를 가지는데, 이때 이 둘의 전파 속도는 일반적으로 다르다. 전자기파는 횡파이다.

그림 1. 횡파와 종파

파동은 흔들림에 의한 변위의 변화가 진동의 형태로 공간적으로 퍼져나가는 것이므로, 매질은 진동이 일어나기 위한 복원력을 가지고 있어야 한다. 유체는 비틀림 변형에 대해 복원력을 갖지 않으므로 유체 속에서는 진행 방향에 대해 수직한 방향으로 비틀림이 일어나는 횡파는 형성될 수 없다. 그러나 진행 방향으로 일어나는 압축과 팽창에 대해서는 복원력을 가지므로 종파는 존재한다. 이에 반해, 고체는 비틀림과 압축 변형에 대해 모두 제자리로 돌아오려는 탄성을 가지므로, 고체 속에서는 종파와 횡파가 모두 존재한다. 그런데 압축과 비틀림에 대한 탄성이 각각 다르므로 전파 속도가 다르다.

이러한 성질을 나타내는 예로 지진파를 생각해 볼 수 있다. 지진파는 진앙지에서 일어난 흔들림이 지구라는 고체를 통해 전파되어 나가는 음파라고 할 수 있는데, 이때 종파와 횡파 성분이 가지는 전파 속도의 차이로 P파와 S파로 나뉜다. 즉 진앙지로부터 생긴 지진파 중에 전파 속도가 빠른 종파가 먼저 도착하므로 P(primary)파라 하고, 이어서 도착하는 횡파를 S(secondary)파라 한다. 그런데 지구 반대편에서부터 지진파가 전달될 때, P파는 전파되어 오지만 S파는 지구 중심부를 지나는 각도에 대해서는 전파되지 않는 것이 관찰된다. 이로서 지구 중심부에는 높은 온도와 압력으로 인해 액체 상태로 존재하는 영역이 있다고 추정할 수 있다.

전갈의 한 종류는 종파와 횡파의 전파 속력 차이를 이용하여 먹잇감의 위치를 알아내기도 한다. 지표면에서 먹잇감이 움직이면 진동이 발생하고 이는 음파의 형태로 땅을 통해 전달된다. 이때 횡파와 종파는 전파 속도가 다르므로, 이 두 파가 도착하는 시간 차이로부터 얼마나 먼 거리에 먹잇감이 놓여 있는지를 알아낼 수 있다.

빛을 포함한 전자기파는 횡파이다. 전자기파는 시간적으로 변하는 전기장과 자기장이 상호유도하며 전파되는 파동이다. 그러므로 실제적인 전하의 움직임 없이 전파되어 나가는데, 이는 맥스웰 방정식에 따르면 종파 성분이 없다는 것이다. 따라서 전자기파는 진행 방향에 대해 수직으로 진동하는 전기장(혹은 자기장) 성분만을 갖는다. 이때 전기장(혹은 자기장)의 성분을 서로 수직한 두 개의 성분(예를 들어 @@NAMATH_INLINE@@x@@NAMATH_INLINE@@성분과 @@NAMATH_INLINE@@y@@NAMATH_INLINE@@성분)으로 나눌 수 있다. 이 두 성분 중 하나의 크기가 다른 성분보다 큰 상태가 되면 이를 편광되었다고 한다. 길쭉한 분자들이 한 쪽 방향(@@NAMATH_INLINE@@x@@NAMATH_INLINE@@방향이라 하자)으로 정렬되어 있는 물질 사이로 빛을 통과시키면, @@NAMATH_INLINE@@x@@NAMATH_INLINE@@방향으로 진동하는 전기장 성분은 분자 속의 전자들에 의해 많이 흡수되어서 이런 물질을 통과한 빛에는 @@NAMATH_INLINE@@y@@NAMATH_INLINE@@방향의 전기장 성분이 @@NAMATH_INLINE@@x@@NAMATH_INLINE@@방향의 성분에 비해 상대적으로 강하게 남는다. 이렇게 빛이나 전자기파를 편광시키는 장치를 편광판이라고 한다. 또한 어떤 평면에 전자기파가 반사가 되면 평면에 수직한 방향의 성분은 많이 사라지고 수평한 방향의 성분이 많이 남게 되는 편광이 일어난다.