파동

파동

파동의 가장 친숙한 예는 수면파이지만 소리와 빛도 파동과 같이 진행하며 모든 원자구성 입자의 운동 또한 파동성을 보인다.

따라서 파동에 대한 연구는 모든 자연과학과 공학에서 중요한 주제이다.

파동의 가장 간단한 형태는 공기, 결정성 고체, 늘어진 줄과 같은 탄성 매질의 진동이다. 예를 들어 만일 금속 덩어리가 강한 타격을 받으면 표면물질의 변형에 의해 표면 주위의 금속이 압축되며 아래에 있는 층에 교란을 전달하게 된다. 이때 표면은 원래의 상태로 되돌아가고 표면에서의 압축은 물체 내를 물질의 강도에 의해 결정되는 속력으로 계속 전파된다.

압축파는 어느 지점에 국한된 교란이 탄성 매질 내를 지속적으로 전파하는 파동의 여러 가지 형태에서 볼 수 있는 공통된 현상이다. 대부분의 계(系)에서 여러 개의 작은 진폭의 교란은 서로를 변형시키지 않으면서 중첩될 수 있다. 또한 역으로 복잡한 교란은 몇 개의 간단한 형태의 성분으로 나누어질 수 있다. 무선방송을 예로 들면 저주파의 신호가 고주파의 반송파(搬送波)에 중첩되었다가 수신할 때 원상복귀된다.

가장 간단한 파동에서의 교란은 일정한 진동수와 파장으로써 주기적으로 진동한다. 이와 같은 사인파 진동은 거의 대부분의 선형 파동을 연구하는 기초가 된다. 소리를 예로 들면 하나의 사인파는 순음을 형성하는데 동일한 음표를 연주하는 여러 가지 악기의 독특한 음색은 여러 가지 진동수의 사인파의 혼합으로 생긴 결과이다. 전자공학에서는 동조회로에서 발생하는 자연적인 진동을 이용해 사인 형태의 무선전파를 생성한다.

모든 선형 파동의 수학적인 성질은 공통적이지만 다양한 물리적 현상을 나타낸다.

파동의 중요한 부류인 전자기파는 전자기장의 진동을 나타낸다. 이것에는 복사열·빛·무선전파·마이크로파·자외선·X선이 포함된다. 전자기파는 전하의 운동이나 전류의 변화에 의해 생성되는데 이들은 진공을 통과할 수 있다. 즉 전자기파는 소리와는 달리 어느 매질의 교란현상이 아니다. 전자기파와 음파의 다른 점은 전자기파가 횡파, 즉 교란의 방향이 파동의 진행방향과 수직을 이루는 반면에 음파는 교란의 방향이 파동의 진행방향으로 진동하는 종파라는 점이다.

매질에서 파동이 전파되는 것은 매질의 특성에 의존한다. 예를 들어 서로 다른 진동수는 서로 다른 속도로 전파하는데 이는 분산으로 알려져 있다. 빛의 경우에는 분산에 의해 색의 분리가 일어나며, 이것이 유리 프리즘이 스펙트럼을 형성하는 원리이다. 지구물리학에서는 지진파의 분산적인 전달을 이용해 지구 내부의 성분에 대한 정보를 얻을 수 있다.

파동의 2가지 중요한 특성은 회절과 간섭이다.

파동의 교란이 장애물이나 작은 개구(開口)를 지나게 되면 파동은 여러 가지 방향으로 진행하게 된다. 따라서 일반적으로 직선운동을 하는 광파도 작은 구멍을 통과하면 굴절하는데 이것을 회절이라고 한다. 간섭은 2개의 파동이 결합해 교란이 중첩되어 발생한다. 만일 파동이 같은 위상으로 어느 지점에 도달하게 되면 보강이 일어나 교란의 정도가 심해진다. 또한 파동의 위상이 어긋나게 되면 이들의 반대방향의 운동이 소멸하게 되어 교란은 작아지거나 사라지게 된다.

따라서 크고 작은 교란으로 인해 뚜렷한 간섭무늬가 전체적으로 나타나게 된다.

비선형(非線形) 파동에 대해서는 연구하기가 힘들지만 여러 응용분야에서 매우 중요하다. 이들은 대개 매우 복잡한 구조와 성질을 보여준다. 예를 들어 얕은 수로의 수면파는 솔리톤(soliton)이라고 알려져 있는, 마치 혹과 같은 것을 형성하는데, 이것은 간섭성의 특성을 가지고 진행한다.

비선형파는 신경망, 은하의 나선팔과 같은 다양한 분야에서 중요하다(솔리톤).