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물방울에 의한 파동

파동(波動, wave)은 물리학에서 말하는 매질 내의 한 점에서 생긴 매질의 진동 상태가 매질을 통해서 주기적으로 퍼져 나가는 현상을 말한다. 공간상의 한 점에서 서로 순환적으로 변환되는 두 가지 형태의 에너지가 존재할 때, 이를 진동자(振動子, oscillator)로 볼 수 있다. 파동은 시간과 공간으로 주어지는 한 점에서 정의되는 물리량 g(t,x)이 주기적으로 변화하는 것이다. 주변에 있는 다른 한 점이 이와 동일한 성질을 갖으면, 이 두 진동자 간에 커플링(coupling)이 일어나고, 시간의 흐름과 함께 에너지가 주변의 진동자로 전파될 수 있다. 이러한 식으로 에너지가 퍼져나가는 것을 파동이라고 한다.

파동의 일반적 기능

파도라는 용어의 포괄적 정의는 하나가 아니다. 진동은 기준값 주위에 앞뒤 운동으로 정의할 수 있지만, 진동이 반드시 파도가 라는것은 아니다. 진동의 현상을 한정적으로 필요하고 충분한 특성을 갖게 정의하는것이 유동적인 파도의 특성이라고 한다.

작은 의미로 파동은 직관적으로 어떤 형체를 공간의 움직임과 관련된 일반적없는 공간의 교란의 수송으로 이해된다. 파동에서는 진동의 에너지 주변의 매질을 통해 교란해 정보의 형태로 이송될 수 있다. 그러나 진공내에서도 전자파 또는 빛이 매질 없이 이동할 수 있는것으로 밝혀져 파동에게 에너지는 존재하지 않는다고 추측된다. 파장은 태양의 빛, 바다의 파도의 형태로 자연에서 존재하며 전자 레인지 내부의 전자파, 전파 라디오, 라디오의 음파, 전화기로 사용될 수 있다.

파동의 성질

파동은 장애물이 없을 때 직진하고 가는 틈을 만났을 때는 회절하며 성질이 다른 매질을 만났을 때 굴절한다. 또 장애물을 만났을 때는 반사도 하며 두 파동이 서로 만났을 때 간섭 현상을 일으킨다.

관련 역사

물리학에서는 관찰 대상을 입자 혹은 파동으로 묘사해서 설명하려는 시도가 오래도록 계속되었다. 빛이 그 대표적인 예이다. 빛과 관련된 다양한 현상들은 때로는 입자설 (뉴턴)을 기반으로 또 다른 시대에는 파동설(하위헌스)을 기반으로 해서 설명되어 왔다. 1900년대 초 아인슈타인이 빛이 입자라는 가정하에 광 전류 현상을 분석하였고 최근에는 양자 역학 이론에 의해 빛이 파동과 입자의 성질을 모두 가지고 있다고 설명한다.

종류

파동은 크게 종파(縱波)와 횡파(橫波)로 나눌 수 있다. 횡파는 매질의 상태변화 방향이 파동이 진행하는 방향에 수직인 것을 말한다. 예를 들면, 빛이나 전파 등은 순수한 횡파이다. 이에 대해 종파는 매질의 상태변화의 방향이 파동의 진행방향에 대해 평행인 것으로 조밀파(粗密波)라고도 한다. 그 예로 음파 등을 들 수 있다. 일반적으로 물체에 전파되는 탄성파 중 횡파는 형상탄성에 의하여 일어나며, 종파는 부피탄성에 의하여 나타난다.

따라서 고체 내에서 일어나는 파동은 탄성파로 종파 · 횡파가 함께 일어날 수 있는데, 형상탄성이 없는 유체(流體)의 경우에는 횡파가 생기지 않는다. 어느 경우라도 파동이 전달되는 속도는 매질의 탄성률과 밀도에 의해 결정되며, 각 매질에 따라 일정한 값이 된다. 또 파동이 전파되는 매질 속에서 같은 시각에 같은 상태변화를 가진 점을 연결하면, 일반적으로 연속된 면이 나타나는데, 이것을 파면(波面)이라고 한다. 파면이 구 모양으로 일어나는 파동을 구면파(球面波), 평면이 되는 파동을 평면파라고 한다.