공명

놀이터에서 그네를 타는 아이를 떠올려 보세요. 아이가 최고점에 도달해 멈추는 바로 그 순간에 등을 살짝 밀어주면, 적은 힘으로도 그네는 점점 더 높이 날아올라요. 아무 때나 마구 밀면 오히려 그네의 움직임을 방해하게 되죠.

세상의 모든 물체는 저마다 흔들리기 편해하는 특별한 박자를 가지고 있어요. 이를 물리학에서는 고유 진동수(물체가 자연스럽게 떨리는 고유한 빠르기)라고 불러요. 유리잔, 다리, 심지어 우리 몸속 장기까지도 저마다의 고유한 박자를 품고 있답니다.

외부에서 주는 힘의 박자가 물체의 고유 진동수와 정확히 맞아떨어질 때 에너지가 차곡차곡 쌓여요. 이처럼 진동이 급격하게 증폭되는 현상을 바로 공명(또는 기계공학에서 공진)이라고 해요.

우리가 아름다운 음악을 들을 수 있는 것도 공명 덕분이에요. 기타 줄 하나를 튕기면 줄 자체는 아주 작은 소리만 내지만, 기타 통 내부의 공기가 함께 흔들리며 풍성하고 큰 울림을 만들어내요. 실로폰의 공명관이나 관악기도 모두 같은 원리로 소리를 키웁니다.

공명은 소리뿐만 아니라 전파와 자석의 세계에서도 맹활약해요. 라디오의 다이얼을 돌리는 것은 듣고 싶은 방송국의 주파수와 라디오 회로의 주파수를 일치시켜 해당 전파만 쏙 골라내는 작업이에요.

병원에서 정밀 검사를 할 때 쓰는 자기공명영상(MRI)도 공명을 이용해요. 강한 자기장 속에서 수소 원자핵이 갖게 되는 박자에 맞춘 라디오파를 쏘아 원자핵을 흔든 뒤, 원자핵이 제자리로 돌아오며 내보내는 신호로 몸속 단면을 촬영한답니다.

조금 더 정확히 말하면, 공명은 외부에서 들어온 에너지가 밖으로 빠져나가지 못하고 물체 안에 갇혀 누적되는 상태예요. 박자가 어긋나면 들어온 에너지가 물체의 반대 움직임과 부딪혀 상쇄되지만, 박자가 같으면 이전 에너지에 새 에너지가 고스란히 덧셈처럼 더해지기 때문이에요. 물론 마찰과 공기저항이 에너지를 조금씩 빼내기 때문에, 흔들림은 무한정 커지지 않고 어느 크기에서 멈춰요.

이 때문에 공명은 때로 거대한 재앙을 부르기도 해요. 군인들의 발걸음 박자처럼 규칙적인 힘이 다리의 고유 진동수와 맞으면, 다리가 크게 휘청거리다 무너질 수도 있어요. 1940년 미국 타코마 다리 붕괴는 흔히 공명 사례로 소개되지만, 바람이 일정한 박자로 민 것이 아니라 다리의 흔들림이 바람과 맞물려 스스로 커지는 '플러터' 현상으로 설명돼요.

그래서 초고층 빌딩이나 긴 다리를 지을 때는 고유 진동수를 따져 설계하고, 건물 꼭대기에 무거운 추를 달아 흔들림을 줄이는 댐퍼(진동 흡수 장치)를 설치하기도 해요. 공명으로 인한 파괴를 막기 위한 장치예요.