2011/01/03 22:30

거슬리는건 무엇이든 파괴한다 - 공명(Resonance) 과학이야기

 안녕하세요 커티군입니다.

매 방학마다 시행할 예정인 '과학이야기 카테고리에 새 글을 쓰자 프로젝트'입니다. 이번 방학에는 이런 저런 단발성 

주제를 다루기로 마음먹었습니다. 시리즈물 포스팅은 아무래도 소재가 부족하고 능력이 미천하여 힘드네요 (...)



 이번에 포스팅할 내용은 공명 현상에 의한 구조체 파괴 현상입니다. 공명 현상은 일반 대중에게도 나름 익숙한 개념

입니다. 한때 모 방송국에서 공명 현상을 이용해 목소리로 유리컵을 깨는 내용을 방송한 적이 있었습니다. 유리컵의

고유 진동수가 목소리 진동수와 같거나 정수배, 혹은 그 역으로 같을 경우 일어나는 현상이지요.



1. 공명 현상이란 무엇인가?
 
 일상생활에서 공명현상을 가장 잘 보여주는 것이 그네입니다. 그네를 타고 있는 어린 아이의 등을 밀어주는 부모님을

상상해 봅시다. 부모님은 그네가 최대한 뒤쪽으로 올라왔다가 다시 내려갈 때 아이의 등을 앞으로 밉니다. 그네가 한번

앞으로 갔다가 다시 뒤쪽으로 올라오면 같은 작업을 계속해서 반복하게 되지요. 만약 부모님이 3초에 한번씩 아이의

등을 민다면 부모는 3초에 한번 꼴로 아이의 등을 민다고 할 수 있습니다. 물리학적으로 1/3Hz(헤르츠)의 주기로 힘을

가한다고 할 수 있겠군요. 이런 작업을 몇번 반복하다보면 그네는 상당히 높은 위치까지 올라갈 수 있습니다.



미얄느니임...그네는 말뚝이가 밀어줍디까...




 여기에서 주목할 점은 그네가 상당히 높은 위치까지 올라갈 수 있었다는 점입니다. 아이들이 그네를 타는 것을 보면

대략 성인 어른의 키보다 높은 위치까지 올라가는 경우가 많습니다. 그런데 과연 아이들이, 혹은 부모가 그네를 단

한번 밀어서 그 정도의 높이까지 그네를 올릴 수 있을까요? 일반적으로 불가능할 것입니다. 그것이 바로 이번에 다룰

공명 현상의 주 특징입니다. 특정 조건 하에서 공명 현상은 에너지를 축적한다는 것이죠.



2. 공명 현상의 실제적 피해

 그네의 예에서 볼 수 있듯이 공명 현상은 물체에 에너지를 축적시킬 수 있었습니다. 그런데 과연 이 현상이 얼마나

큰 효과를 볼 수 있을까요? 다음 영상을 보시면 공명 현상이 어느 정도의 파괴력을 낼 수 있는지 알 수 있습니다.




미국의 타코마 교(Tacoma Bridge)의 영상입니다. 상당히 유명한 일화지요. 타코마 교는 초속 40미터의 태풍에도

무너지지 않는 설계로 만들어진 다리였습니다. 그러나 붕괴 당시의 풍속은 초속 10미터 남짓의 미풍에 불과했지요. 

공명 현상이 얼마나 큰 피해를 일으킬 수 있는지 보여주는 단적인 사례입니다. 물론 이 이후의 모든 다리와 건축물들은 

이러한 현상을 피하도록 설계되었습니다.



 비단 건축에서만 일어나는 일은 아니었습니다. 1900년대 초반은 민간 항공기가 급격하게 증가하던 시절이었지요.

또한 항공기의 추락 사고가 많았던 시절이기도 했지요. 비행기 설계자들은 항공기의 추락 원인은 파일럿의 미숙이나

정비 불량 등에 한정된다고 생각했습니다. 하지만 놀라운 사실이 발견되었습니다.





 위 영상에서 비행기의 꼬리날개가 심하게 요동치는 것을 볼 수 있습니다. 날개 주변에 생긴 난류의 진동수가 날개와

공명 현상을 일으킨 것이지요. 실제로 위와 같은 현상으로 인해 많은 비행기들이 꼬리날개를 잃고 추락했습니다.

물론 현재 비행기들은 모두 이를 방지하는 설계로 만들어졌습니다.



 헬리콥터 역시 이러한 공명 현상의 피해자입니다. 헬리콥터의 경우는 특히 지상 공진(Ground Resonance)라고 하여

지상에서 헬리콥터가 공명으로 인해 파괴되는 경우가 있습니다.






 공명으로 인해 헬리콥터의 프로펠러를 지지하는 축과 프레임이 거의 찢겨나가다시피 할 정도의 파괴가 일어났습니다. 

이 현상을 알아채기 이전의 모든 헬리콥터들이 이 위험에 노출되어있었다는 사실을 생각하면 상당히 충격적이지요.



 공명 현상에 대해서는 오래 전부터 알고 있었지만 이런 식으로 현실에 적용이 된다는 것을 알아챈 것은 상대적으로

최근의 일입니다. 즉, 과학 이론을 알고 있다고 해서 이와 연관된 모든 현상을 예측할 수 있는 것이 아닌 것이지요.

이런 부분이 기술 개발에 큰 난제가 되지만 경험 없이는 알아채지 못하는 경우가 많기 때문에 기술 개발은 꾸준한

연구와 투자가 지속되어야 할 것입니다.






핑백

덧글

  • 아일턴 2011/01/03 22:38 # 답글

    가장 가까운 예는 세탁기가 탈수 할 때겠네요.
    돌기 시작할 때와 끝나는 때 꼭 어느 시점에서 세탁기가 심하게 요동치는 바로 그것도 공명현상.
  • 커티군 2011/01/03 22:52 #

    세탁물이 한쪽으로 쏠리게 되면 상당한 소음이 발생하지요. 최근에 유행탔던 드럼형은 위 아래로 회전하는터라 그런 현상을 목격한 적이 없긴 하지만요... 그러나 저희 기숙사 세탁기는 구ㅋ형ㅋ
  • SilverRuin 2011/01/04 13:02 # 답글

    군대 다녀오신 분은 행군 중 다리에서는 걸음을 맞추지 않게 하는 걸로 잘 알고 계시더군요
  • 커티군 2011/01/04 18:00 #

    자칫하면 다리나 도로가 붕괴될 위험도 있습니다 ㅎ
  • 냥이 2011/01/05 11:57 #

    그거 로마때 부터 시작되었죠.
  • 티르 2011/01/04 13:23 # 답글

    다리는 알고 있었는데 비행기와 세탁기는 처음보네요 ㄷㄷ
    역시 공명은 무섭습니다
  • 커티군 2011/01/04 18:00 #

    역시 타코마 브릿지는 유명하군요 ㅋㅋ
  • 푸른별구름 2011/01/05 03:23 # 답글

    ...미얄 보고 순간 어?[...]
  • 커티군 2011/01/05 08:46 #

    그네 하면 쵸코칩 미얄느니임...
  • 푸른별구름 2011/01/05 03:27 # 답글

    뭐 저런 굵직한[...] 사고들 말고도, CD 안쪽에 흠집이 가서 강도가 약해진 경우 고속으로 회전하는 ODD 안에서 공진이 일어나서 CD 자체가 ODD 안에서 부서져버리는 사태가 발생한 사건이 꽤 있기도 했지요 ''
  • 커티군 2011/01/05 08:47 #

    오우...그건 예상하지 못했네요 ㅇㅅㅇ
  • 냥이 2011/01/05 12:05 # 답글

    배도 심한 파도에서 까딱거리다가 배가 오른쪽으로 넘어졌는데 왼쪽에서 오는 파도 맞아버리면...닶없죠

    http://www.youtube.com/watch?v=0JW_kKP7alw
  • 실탄 2011/01/11 14:30 # 답글

    케리비안 베이의 해적에서 배 뒤집으려고 애들이 배 좌우 왔다갔다 한 거 생각나요.
댓글 입력 영역