수면에 돌을 던지면 왜 파문이 생기나요?
강이나 호수같은 물이 있는 곳에 돌을 던져 보신적이 다들 있으실껍니다. 돌을 던진 그자리에 파문이 생겨 넓게 퍼져나가는 걸 확인할 수 있는데요. 파문도 일정하게 원을 그리면서 퍼져나가는데 왜 이런 현상이 생기는건가요?
원형을 띄는 이유
혹시 줄넘기 줄을 위 아래로 흔들어 보신적 있으실까요?
어느정도 중량이 있는 줄의 끝부분을 잡고 위 아래로 흔들면 마치 파동이 이동하는 것처럼 보이는 데요,
이것이 360도로 동시에 일어나는 것이 수면의 파동이 퍼지는 모양과 같습니다.
이게 모든 방향으로 동시에 같은 속도로 일어나기 때문에 마치 퍼져나가는 원의 모습을 띄는 것처럼 보입니다.
제가 직접 실험해본것은 아니지만 만약 고요하게 흐르는 물위에 돌을 던진다면 파동이 방향마다 퍼지는 속도가 서로 다르기 때문에 파원이나 찌그러진 원을 그릴 것이라 예상됩니다.
파동이 생기는 과정
우리가 돌을 물속으로 던질때 빠르게 날아가던 돌은 수면을 만나 순간적으로 느려지게 됩니다. 공기보다 무거운 물을 만나 부딪히는 것이죠.
빠르게 날아가던 물체가 느려졌다는 것은 그만큼의 에너지를 잃었다는 건데, 에너지는 보존되기 때문에, 이는 사라진 것이 아니고 어딘가로 쓰인것입니다.
이 경우는 돌의 에너지가 일시적으로 물을 찌그러뜨리는데 쓰였습니다. 슬로우모션으로 본다면 돌이 물을 때리면서 모양을 찌그러뜨리는 것을 확인 할 수 있을겁니다.
그런데 물질은 가장 안정한 상태로 가려는 성질이 있습니다. (이는 당연한 일입니다. 불안정한 상태는 언젠간 무너진다는 뜻이고, 시간이 다를뿐 결국 안정한 상태로 정착하기까지 계속 변화을 일으키기 때문입니다)
그리고 액체와 기체는 사실 매우 활발하게 움직이고 있으므로, 빠르게 안정적인 상태로 복구됩니다(다른 의미론 불안정한 상태를 견디지 못하고 빨리 반응해버린다는 것입니다)
다시 위로 돌아가서 수면은 돌로 인해 파인 구멍이 나있는 상태입니다. 여기서 시간이 조금 지나면 이 구멍을 메꾸기 위해 주위에서 물을 조금씩 끌어옵니다.
그런데 이 과정에서 주변 물을 너무 많이 끌어와 오히려 물기둥이 되어버립니다. 바로 근처의 수면은 물을 빌려주느라 구멍이 되어버렸습니다. 위에서 보면 링 모양으로 파여있는 것으로 보이겠지요.
시간이 조금 더 지나면 물기둥은 가라 앉습니다. (물기둥이 부자연스럽게 올라온 것 역시 불안정한 상태이므로) 그런데 이번엔 너무 많은 양의 물을 갚아버려서 다시 구멍이 파인 상태가 됩니다.
동시에 아까 파여있던 물은 당연히 주변의 물을 끌어오려고 합니다. 그런데 중앙의 물기둥뿐만 아니라 자기주변의 모든 물에서 가져오기 때문에 더 바깥쪽의 물은 높이가 낮아지고, 이 고리모양의 물은 첫번째 물과 같이 오히려 너무 올라가 버립니다.
이렇게 과하게 끌어오고, 과하게 보상하는 과정이 반복되면 파동이 점점 퍼지는 것처럼 보이게 됩니다. 실제로 물분자는 파동을 따라 바깥으로 움직이지는 않습니다. 그저 위 아래로 흔들릴 뿐입니다. 주변의 물을 끌어오고, 갚으면서 출렁거리는 것이 연속적으로 일어나는 것이지요.
물론 에너지의 총량은 보존되기 때문에 넓은 범위로 퍼질수록 면적당 에너지는 줄어들게 되므로, 출렁거리는 높이 차는 점차 줄어들게 됩니다.
파동은 우리 눈에 보이지 않을 뿐 에너지가 퍼지는 모든 방식에 존재합니다. 소리나 빛 역시 파동이며, 일반적으로 2차원이 아닌 3차원, 구 형태로 퍼지게 됩니다.
어설픈 답변이지만 질문자분의 호기심에 도움이 되었다면 좋겠습니다
항상 일정하기 때문아닐까요?? 물의 밀도가 같고 사방으로 전해지는
충격의 파장과 가는 속도가 같기 때문아닐까요?? 돌은 사각이든 다른
모양이든 던져도 똑같이 원모양으로 파문이 생기니까...
저의 생각은 저게 아닐까??? 하고 생각해봅니다!!
제가 정답일수도있고 아닐수도 있고요...ㅠㅠㅠ
이런 현상은
특수한 물리적 성질 때문입니다. 수면을 마치 탄성막이 같아서 한곳이
상하로 진동하면 그 주위도 덩달아 진동하며 그 곁에게 있을 다른것도
진동합니다. 이처럼 진동이 연이어 전달되기 때문에게 수면파까지 꼬리에
꼬리까지 물는 질서있게 먼 데까지 퍼져나간다. 수면파속에게 있을 매개
물분자는 끊임없이 아래위로 움직이면서 진동합니다. 만일 수면이 칼로
베어 그까지 종단면이 볼수 잇다면 규칙적인 파동 곡선이 볼수도 있을것입니다.
이로까지 수면파도 파동까지 일종이라는 사실이 증명할수 있다.
