횡파인 S파가 액체와 기체를 통과하지 못하는 까닭

젓가락의 양쪽 끄트머리를 고정시킨 채 적당한 크기의 힘(외력)을 가하여 가운데 부분을 젓가락과 수직한 방향으로 변형시킨다고 해보겠습니다. 가해진 외력의 결과로 젓가락은 활처럼 휘겠지요. 외력을 제거하면 젓가락은 원래의 모습으로 복원됩니다. 복원된 부분은 복원되는 데서 그치지 않고 젓가락의 길이 방향을 따라 자신의 변형을 전달합니다. 그 결과로 인접한 지점이 젓가락 길이 방향에 수직하게 변형됩니다. 두번째 변형지점 역시 복원되면서 인접한 부분을 다시 변형시킵니다.

이처럼 젓가락이 수직하게 변형되고 복원되는 현상은 젓가락의 길이 방향으로 전달되어 갑니다. 이것이 파동의 전달입니다. 젓가락이 변형되는 방향에 수직한 방향(젓가락 길이 방향)으로 파동이 전달되는 것이므로 횡파(전단파)에 해당합니다. 

액체나 기체에 같은 종류의 외력을 가한다고 해보겠습니다. 예를 들어, 손바닥으로 천천히 세면대의 물을 조금 이동시켜본다고 해보겠습니다(파인만이 비유한 것처럼). 잠시 후에 손바닥을 제거하더라도 이동했던 그 물분자들은 원래의 위치로 돌아오지 않습니다. 액체와 기체는 복원되려는 성질을 갖지 않기 때문입니다. 복원되려는 성질은 액체와 기체에는 없고 고체에만 나타나는 성질입니다.

횡파는 매질의 진동 방향에 수직한 방향으로 전달되는 파동입니다. 그렇기 때문에, 횡파는 매질이 진동하는 방향에 대해 수직한 방향으로 변형을 전달할 수 있는 경우에만 발생할 수 있습니다. 그러려면 매질은 복원성을 가져야 하는데, 액체와 기체는 그렇지 않습니다. 이 때문에 액체와 기체에서는 횡파가 전달될 수 없습니다. 

 

 ** 심화 **

횡파의 전달은 강성(rigidity)과 관련되어 있습니다. 강성은 고체 물질의 변형 능력을 나타냅니다. 따라서 액체와 기체는 강성이 없습니다. 강성률은 보통 μ로 표현하며, 횡파의 속력은 다음 식으로 나타낼 수 있습니다. ρ는 매질의 밀도입니다.

이 식은, "밀도가 ρ이며 강성률이 μ인 매질은 파동을 v_s만큼의 속력으로 진행시킨다"는 것을 의미합니다. 액체와 기체는 강성이 없으므로 강성률 μ = 0입니다. 따라서, 액체와 기체에서 횡파의 전파 속력 v_s = 0이며, 이것은 횡파가 액체와 기체를 통과하지 못한다는 것을 나타냅니다.

 

 

참고 문헌

파인만의 물리학 강의, v.1, 리처드 파인만 등

 

 

조영우

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