진동

진동(vibration)

일반적으로 물리계가 평형상태에서 벗어난 후 평형상태로 다시 복원되려는 힘에 반응할 때 나타난다.

진동은 자유진동과 강제진동의 2가지 종류로 나누어진다.

자유진동은 물리계가 순간적으로 교란된 후 구속력 없이 움직일 때 일어난다. 고전적인 예로는 용수철에 매달린 진자를 들 수 있다. 평형상태에서 이 계는 최소의 에너지를 가지며 진자는 정지한다. 진자를 밑으로 당긴 후 놓으면 이 계는 수직으로 진동한다.

용수철의 이러한 진동은 단조화운동(simple harmonic motion/SHM)이라고 알려진 아주 간단한 성질의 운동이다(단조화운동). 이 운동은 계의 교란이 그 교란 정도에 정확히 비례하는 복원력을 받을 경우 항상 일어난다. 이 경우 복원력은 용수철의 장력 또는 압축력이며 이 힘은 훅의 법칙에 따라서 용수철의 변위에 비례한다. 단조화운동에서 주기적인 진동은 사인 곡선의 수학적 형태를 갖는다. 대부분의 물리계는 아주 작은 교란을 겪으면 복원력이 발생된다.

그 힘은 교란에 비례한다고 가정할 수 있다. 그러므로 교란이 작은 경우, 단조화운동은 전형적인 진동계라고 할 수 있다. 단조화운동의 특성 중 하나는 진동주기가 진폭과 무관하다는 것이다. 따라서 그러한 물리계는 시계를 조절하는 데 사용된다. 예를 들어 진폭이 작으면 추의 진동은 단조화운동과 비슷해진다. 자유진동의 일반적인 양상은 감쇠현상이다. 모든 계는 마찰력을 받으며 진동의 에너지를 서서히 잃어버린다.

이로 인해 진폭은 항상 지수함수적으로 감소한다. 따라서 진동은 결코 정확한 사인 곡선이 아니다. 그래서 흔들리는 진자는 그냥 두면 결국에는 평형(최소 에너지)위치인 정지상태로 되돌아간다. 강제진동은 물리계가 외력에 의해서 계속 힘을 받을 때 일어난다. 간단한 예로 아래로 갈 때마다 밀치는 힘을 받는 어린이용 그네를 들 수 있다.

특별히 관심을 끄는 것은 단조화운동을 하면서 사인 곡선 형태의 힘을 받는 물리계이다. 이것은 공명이라는 중요한 현상을 나타낸다. 공명은 구동진동수가 자유진동의 고유진동수에 접근할 때 일어난다. 그결과 진폭이 증가하며 진동계는 에너지를 급속하게 축적한다. 진폭의 증가는 결국 감쇠현상에 의해 제한받기는 하지만 그 반응은 매우 크다. 군인들이 다리를 건너 행진할 때 다리를 파괴하기에 충분한 공명진동을 일으킬 수 있다고 한다.

포도주잔을 박살낸 오페라 가수들에 관한 유사한 이야기도 있다.

전기진동은 전자공학에서 중요한 역할을 한다. 인덕턴스와 전기용량을 갖는 회로는 사인곡선의 전류를 만들 수 있는 전기적 단조화운동이다. 회로의 고유진동수와 같은 진동수를 갖는 교류전류에 의해 구동되는 회로는 공명을 일으킨다.

이것이 검파 또는 동조(同調)의 원리이다. 예를 들어 무선통신 수신기는 고유진동수가 변할 수 있는 회로를 갖고 있다. 무선통신 수신기의 진동수가 무선통신 송신기의 진동수와 일치하면 공명이 일어나서 그 진동수를 갖는 큰 교류가 회로에 형성된다. 이 방법으로 공명회로는 여러 진동수가 겹쳐 있는 신호에서 한 진동수를 검파해낼 수 있다. 악기에서 현·막·공기기둥의 운동은 단조화운동들이 중첩된 것이며, 공학적인 구조물에서 바람직하지는 않지만 진동은 흔한 현상이다.

여러 경우에 있어서 복잡한 주기운동은 여러 가지 다른 진동수들의 단조화운동이 중첩된 것으로 이해할 수 있다(조율과 음률조정).