도플러 효과(Doppler effect)

도보를 걷고 있을 때, 구급차가 사이렌을 울리며 지나가면 어떤 느낌이 드나요?

가까워 질 땐 소리가 높다가,

저를 지나치고 멀어질 땐 소리가 낮아집니다.

소리가 높을 땐 진짜 삐용거리는 소리가 다급하게 들려서

아마 구급차가 일부러 그러는 것 아닐까...하고 생각하시면 안됩니다.

이것은 도플러 효과 때문에 그렇습니다.

도플러 효과에 대해 알아보기 전에

도플러라는 사람에 대해 먼저 알아볼까요?

크리스티안 도플러(Christian Doppler)는

1803년 11월 29일에 태어나 1853년 3월 17일에 돌아가신

오스트리아의 물리학자입니다.

그런데 문제가 이 사람의 full name입니다.

Christian Johann Doppler인지, Johann Christian Doppler인지,

아니면 Christian Andreas Doppler인지 외국 문헌도 헷갈립니다.

하지만 세례할 때 이름을 Christian Andreas Doppler로 줬고,

Johann이라는 이름은 천문학자 줄리어스 슈웨이너가 잘못 소개한 거래요.

그렇지만 그는 본인의 이름에서 중간이름은 사용한 적이 없다니

그냥 크리스티안 도플러씨라고 알면 되겠습니다.

뭐가 어쩌든 간에, 도플러 효과는 도플러씨가 발견한 내용입니다.

이것은 파원과 관찰자의 속도에 상대 속도에 따라 파장이 변하는 현상인데요,

좀 더 자세히 설명해 보죠.

일단, 파원은 파동이 처음 시작되는 곳입니다.

구급차의 예를 들면 구급차의 스피커가 파원이라고 보면 되겠네요.

그런데 구급차에 스피커가 달렸나...?

그냥 간단히 말해 구급차가 파원이라고 하죠.

파장은 파동의 주기가 가지는 길이입니다.

그래서 파원이 움직이면 파원이 움직이는 방향,

즉 구급차의 앞쪽에서는 파장이 짧아집니다.

파장은 (파동의 속도)×(주기) 이므로 파장이 짧아지면 주기도 짧아집니다.

(파동의 속도는 매질이나 파동의 종류에 따라서 일정하게 정해집니다.)

주기가 짧아지면 그 역수인 진동수는 높아져서

소리는 높아지고 빛은 푸른 색이 됩니다.

그래서 구급차가 다가올 때는 소리가 높은 겁니다.

출처: http://www.astarmathsandphysics.com/ib_physics_notes/waves_and_oscillations/ib_physics_notes_the_doppler_effect.html

동글동글한 것이 파동입니다.

Frequency는 진동수에요.

그래서 저 푸른 물결과 빨간 물결이 파장을 나타내고

색이 푸르고 빨간 것은 파원이 광원일 때를 나타내기 위한 것입니다.

광원은 빛을 내는 것을 의미합니다.

대표적인 것이 별이죠.

별이 지구로부터 멀어지면 상대적으로 붉은 색을 띠고

가까워지면 푸른 색을 띠는 것이

적색 편이, 청색 편이라고 부릅니다.

그런데 왜 파원이 움직이면 파동이 찌그러지죠?

그건 먼저 나간 파동 다음의 파동은 파원의 위치가 다르기 때문입니다.

그래서 다음 파동은 한 쪽은 먼저 나간 파동과 가깝고

다른 한 쪽은 먼저 나간 파동과 멀어지게 됩니다.

이해가 가실란가...

그러니까 저 위쪽 그림에서 파원이 왼쪽으로 자꾸 가니까

파동도 왼쪽으로 치우치게 되니까 왼쪽은 서로서로 가까워지는 거죠.

도플러 효과에서 더 나아간 개념이 충격파입니다.

파원이 너무너무 빠르게 움직여서 자신이 만든 파동보다 앞에 가 있을 때,

즉 다음 그림의 오른쪽 아래가 되면 충격파가 생깁니다.

출처: http://bama.ua.edu/~stjones/Sound.htm

왼쪽 아래는 충격파가 생기기 시작하고

오른쪽 아래는 충격파가 이미 생겼습니다.

그런데 오늘 주제는 도플러 효과고 제가 그 자료만 찾아서

충격파는 어떻게 생기는지, 즉 파원이 파동보다 빨라서 앞으로 가면 생긴다는 것만

제가 충격파에 대해 아는 사실입니다.

그래서 아쉽지만 오늘은 여기서 마쳐야 겠네요.