[도플러 효과] 너와 나의 움직임이 진동수와 파장을 바꾼다?

hunhani (65)in #kr • 7 years ago (edited)

안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.

오늘은 파원과 관측자의 움직임에 따라 진동수와 파장이 다르게 관측되는 현상인 도플러 효과에 대해 알아보겠습니다.

우리 모두가 도플러 효과를 경험했다!

기차 또는 시끄러운 차량이 지나가는 소리를 들은 적이 있으시죠? 그렇다면 여러분은 이미 도플러 효과를 경험하신 것입니다. 시끄러운 차량이 우리에게 다가올 때 특정 음을 듣다가, 지나쳐 가는 순간 다른 음의 소리가 납니다. 이 음조의 변화가 바로 도플러 효과 때문입니다.

도플러 효과란?

도플러 효과란 파동을 발생시키는 파원과 그 파동을 관측하는 관측자에 대해 한쪽 또는 쌍방이 매질에 대하여 운동을 하면 관측자에 의해 측정되는 파동의 진동수가 정지했을 때와 달라지는 현상을 말합니다. 즉, 파원과 관측자의 상대 속도에 따라 소리나 전자기파의 진동수와 파장이 바뀌는 현상을 일컫습니다.

빛과 소리 모두 파동의 일종

진동수가 높은 빛과 소리는 각각 높은 에너지의 빛과 높은 음의 소리를 의미하는데요. 반대로 진동수가 낮은 빛과 소리는 각각 낮은 에너지의 빛과 낮은 음의 소리를 의미한답니다. 또한, 파장과 진동수는 서로 반비례 관계에 있으므로 긴 파장은 낮은 진동수를, 짧은 파장은 높은 진동수를 의미하는 것도 기억해두세요!

구급차가 사이렌을 켜고 달려가는 상황에서

사이렌이라는 음파를 발생시키는 파원 구급차에 대해 우리는 관찰자 역할을 한다고 할 수 있습니다. 이 사이렌 소리를 우리가 정지 상태에서 가만히 듣고 있다고 생각해보죠. 그러면 구급차가 가까이 올 때 높은 소리가 들리다가 관찰자를 지나 멀어져가기 시작하면 소리가 낮아지는 현상을 경험할 수 있습니다.

왜 구급차가 지나가기 전후로 사이렌 소리가 바뀌는 걸까?

구급차 우리에게 다가오고 있을 때, 구급차는 사이렌 음파와 같은 방향으로 움직이고 있으므로 관측자인 우리에게 다가오는 사이렌 음파는 점차 쌓이면서 모여 들겠지요? 따라서 차량이 정지했을 때보다 차량이 발생시키는 소리의 파장은 짧아집니다. 짧은 파장은 높은 음의 소리를 만드는 것이죠. 결국 우리는 차량이 정지했을 때보다 움직이면서 우리에게 다가올 때, 더 높은 음의 소리를 듣게 되는 것입니다. 차량이 우리에게 멀어진다면 정확히 그 반대 상황이 발생하죠. 따라서 파원과 관측자가 가까워질수록 진동수는 높아지고, 멀어질수록 낮아집니다.

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도플러 효과 응용 사례

스피드 건

도플러 효과로 인해 발생하는 파동의 파장 변이를 추적하면 파원의 운동 상태를 알 수 있답니다. 즉, 먼 거리에서도 물체의 운동 상태를 손쉽게 알 수 있는 것이죠.

소닉 탐지기

구축함이 해상에서 잠수함을 탐지하는 경우 구축함이 발신한 소리보다 잠수함에서 반사된 음이 높으면 구축함과 잠수함의 상대적인 거리가 가까워진다는 것을 반대로 반사된 음이 발신한 소리보다 낮으면 서로 멀어지고 있는 것을 알아 낼 수 있습니다.

도플러 레이더

공기의 흐름의 파악하는 일은 기상학에서 매우 중요한데 특히 궤멸적인 재앙을 내는 토네이도의 징후를 미리 파악할 수 있는 도플러 레이더는 빛의 파장이 실제보다 짧아졌는지 늘어났는지를 조사하여 공기의 흐름, 예컨대 상승기류나 하강기류 같은 것을 감지해 낼 수 있습니다. 너무 작아 눈에 잘 보이지 않는 공기의 입자 역시 도플러 효과에 의해 입자가 반사해 내는 빛은 감지해 낼 수 있기 때문이죠.

빛의 도플러 효과 관련

(1) 빛에 있어 도플러 효과는 천문학에서 매우 중요한 도구로 사용되고 있는데요. 별들은 매우 멀리 떨어져 있기 때문에 그 운동 상태를 직접 알기가 어려운데, 별이 내는 빛의 스펙트럼을 분석하여 사전에 정확한 파장을 알고 있는 별의 파장이 얼마나 변했는지 측정하면 별이 지구로부터 얼마나 빨리 멀어지는지 혹은 가까워지는지 정확하게 알 수 있습니다. 광원이 멀어질 때에는 빛의 파장이 늘어나기 때문에 적색 편이, 반대의 경우를 청색 편이라고 부른다.

(2) 광원의 속도가 빛의 속도에 가깝게 빨라지면 상대론적 도플러 효과가 적용됩니다. 이를 토대로 미국의 천문학자인 에드윈 허블은 대부분의 은하들이 파장이 상대적으로 길어지는 적색 편이 현상을 보이고 특히 멀리 있는 은하일수록 그 거리에 비례하여 후퇴 속도가 늘어난다는 점을 통해 우주가 팽창하고 있다는 사실을 발견하기도 했습니다.

(3) 행성이 별 주변을 공전하면 별 또한 행성과의 무게중심에 대해 느린 속도로 공전하기 때문에 그에 해당되는 별의 스펙트럼을 관측하면 적색 편이와 청색 편이가 주기적으로 반복되는 것을 볼 수 있는데요. 이는 너무 어두워서 직접 관측이 어려운 외계 행성의 존재를 추적하는 데에도 이용된답니다,