실과 너트로 만드는 공명 진자 실험
Barton's pendulums (resonance)
줄 하나에 길이가 다른 진자들을 매달고 한 진자만 흔들면, 어느 진자가 따라 크게 흔들릴까요?
무슨 일이 일어났나
흔드는 진자가 실을 조금씩 당겼다 놓으며 다른 진자들을 같은 박자로 밉니다. FEMA 에 따르면 이렇게 주기적으로 미는 박자가 흔들리는 물체의 주기와 같을 때 흔들림이 커지는 것이 공명입니다.
진자의 고유 박자는 줄 길이로 정해집니다. 시뮬레이터의 진자 장면으로 재면 길이 0.388 m 는 1.25 초(0.8 Hz), 0.69 m 는 1.67 초(0.6 Hz), 0.248 m 는 1.00 초(1.0 Hz)마다 한 번 오갑니다.
미는 박자를 0.8 Hz 로 둔 시뮬레이터에서 100 초쯤 지나면, 고유 진동수 0.8 Hz 진자는 폭 330 mm, 0.6 Hz 는 45.0 mm, 1.0 Hz 는 34.9 mm 에서 더 커지지 않습니다.
NIST 에 따르면 공명 진동수는 진동자의 고유 진동수이고, 공명은 맞는 진동수 가까이에서만 일어납니다. 그래서 흔드는 진자의 길이를 바꾸면 크게 흔들리는 진자도 바뀝니다.
💡 생활 속 예시
- 그네를 밀 때 그네가 오가는 박자에 맞춰 밀어야 적은 힘으로도 높이 올라가는데, 실 위 진자들 사이에서 일어나는 일이 이것과 같습니다.
- 거실 스피커에서 어떤 음이 나올 때 찬장 속 유리컵이나 창틀이 그 음에만 «웅» 하고 따라 떨리는 것도, 제 박자가 맞는 물건만 크게 흔들리는 공명입니다.
🧪 해 보기
- 어른과 함께 등받이 의자 두 개를 1 m 쯤 떨어뜨려 놓고, 바닥에 선 채로 두 등받이 사이에 실을 조금 처지게 묶습니다.
- 너트 하나씩을 단 진자 서너 개를 길이를 다르게(예: 25 cm · 39 cm · 69 cm) 실에 매답니다.
- 너트를 여러 개 묶어 무겁게 만든 «흔드는 진자» 를 39 cm 길이로 하나 더 답니다.
- 다른 진자들을 손으로 잡아 멈춘 뒤, 흔드는 진자만 옆으로 당겼다 놓고 1 분쯤 어느 진자가 따라 흔들리는지 지켜봅니다.
- 흔드는 진자의 길이를 25 cm 로 바꿔 다시 해 보고, 이번에는 어느 진자가 크게 흔들리는지 견줘 봅니다.
- ⚠️ 어린이는 어른과 함께 하고, 의자 위에 올라서지 않습니다 — 실은 바닥에 선 채로 묶습니다.
- ⚠️ 너트처럼 작은 부품은 어린 동생이 입에 넣지 않게, 다 쓴 뒤 바로 상자에 담아 치웁니다.
- ⚠️ 흔드는 진자는 얼굴보다 낮은 높이에 달고, 흔들리는 진자 앞으로 얼굴을 가까이 대지 않습니다.
누가 왜 찾았나
NIST 의 시간 · 진동수 용어집은 공명 진동수를 «진동자의 고유 진동수» 라 하고, 진자 1 Hz · 수정 손목시계 32,768 Hz 처럼 진동자마다 제 박자가 있다고 표로 보여 줍니다. 이 실험의 실에 매단 진자들도 저마다 줄 길이로 정해진 제 박자를 가지고, 그 박자로 밀릴 때만 크게 흔들립니다.
확인된 값
교육과정에서는
- 한국 2022 · 물리학 실험 · 광학 [12물실04-01]
- 일본 · 小学校 第5学年 A (2) 振り子の運動
출처
이어서 보기
같은 단원 · 진동
- 개념나비 효과 (카오스)
- 개념점점 잦아드는 진동 (감쇠 진동)
- 개념흔들림이 커지는 때 (공명)
- 개념단진동
- 개념진자의 주기 (단진자)
- 개념용수철 진자
- 왜? 질문무거운 추를 단 진자는 더 천천히 흔들릴까?
- 왜? 질문추시계는 어떻게 늘 같은 빠르기로 시간을 잴까?
- 왜? 질문이중 진자는 왜 다음 움직임을 내다보기 어려울까?
- 왜? 질문군인들은 왜 다리를 건널 때 발을 맞추지 않을까?
- 왜? 질문달에서는 그네가 왜 더 천천히 흔들릴까?
- 왜? 질문그네는 왜 발을 구르면 더 높이 올라갈까?
- 왜? 질문그네를 더 밀어 주지 않으면 왜 점점 멈출까?
- 왜? 질문용수철에 매단 추는 왜 위아래로 계속 오르내릴까?
- 작동 원리빌딩 흔들림을 잡는 추 (동조 질량 감쇠기)
- 실험폰 진자로 중력 가속도 재기