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탐구보고서 : 유리잔을 문지르면 소리가 나는 이유?
1. 탐구주제
♬ 물의 양에 따라 유리잔을 문지르면 소리가 다른 이유는 무엇일까?
2. 실험동기
우연히 TV프로그램 스타킹을 시청하게 되었다.
이 프로그램에 출연하는 사람들 중 여러개의 유리잔에 물높이를 달리하여 유리잔연주를 하는 모습을 보게 되었다. 크기가 같은 유리잔에 물높이만 다르게 하여 손으로 문질렀을 뿐인데 유리잔을 문질러서 나는 소리는 각각 다 달랐다.
유리잔 물높이를 다르게 하여 음계를 나타내어 연주한다는 사실 또한 놀랍고 신기했다. 이 유리잔연주를 보면서 어떤 원리를 이용해 소리가 나며, 유리잔 물높이를 이용해 아름다운 연주까지 할 수 있는지 알고 싶어 이 실험을 하게 되었다.
3. 탐구를 통해 알고 싶은 점
♬ 유리잔의 물높이에 따라서 소리는 어떻게 다를까?
♬ 물높이에 따라 소리가 다른 이유는 무엇일까?
♬ 이와 같은 원리를 가지고 있는 것은 어떤 것들이 있을까?
4. 장소 및 준비물
♬ 장 소: 집
♬ 준비물: 와인잔 8개, 물, 핀 마이크, cool edit프로그램(주파수를 볼 수 있는 프로그램 다운받기), 디지털카메라, 컴퓨터
※ 인터넷으로 cool edit프로그램을 검색하여 다운받음.
5. 실험 방법 및 절차
① 8개의 유리잔과 물을 준비한다.
② 각 유리잔에 물높이를 달리하며 물을 채워 넣는다.
③ 손가락에 물을 묻혀 유리잔의 입구를 원을 그리면서 문질러본다.
④ 물높이에 따라 소리가 어떻게 다른지 소리를 들어본다.
⑤ 물높이에 따라 나는 소리를 녹음, 기록해보고 그 이유에 대해서 알아본다.
6. 탐구결과 예상
♬ 유리잔의 물이 많으면 낮은음, 물이 적으면 높은음을 낼 것이다.
♬ 유리잔의 물이 많으면 주파수가 낮으며, 물이 적으면 주파수 또한 높을 것이다.
7. 실험과정(사진)
① 유리잔을 깨끗이 씻어 물기를 닦아두고, 물, …(생략)
핀 마이크 등을 준비해둔다.
② 실험을 하기 전에 손을 비누로 깨끗이 씻는다.
③ 8개의 유리잔에 물높이를 서로 달리하여 적당량의 물을 따른다.
④ 유리잔 물높이를 조절하여, 손가락에 물을 묻혀 유리잔의 입구를 원을 그리면 서 문질러본다.
⑤ 유리잔 입구를 문질러 소리를 들어보고, 물높이를 조절하면서 도레미파솔라시 도 음계를 맞춘다.
⑥ 유리잔에서 나는 소리를 듣고 물높이의 차이에 따라 달라진 소리를 들어본다.
⑦ 각 유리잔에서 나는 음계소리를 핀 마이크를 컴퓨터에 연결시킨 후 녹음 한다.
※ 녹음하는 방법
- 컴퓨터/노트북에 핀 마이크를 연결한다.
- 보조프로그램 - 엔터테이먼트 - 녹음기에서 유리잔 소리를 녹음한다.
⑧ 녹음한 음계소리를 주파수를 알아보는 cool edit프로그램에 실행시켜 각 음계의 주파수를 비교해 본다.
8. 실험결과
♬ 유리잔의 물이 많을 경우 낮은음, 물이 적을 경우 높은음을 낸다.
♬ 유리잔은 손으로 문질렀을 때 유리잔에 담긴 물이 진동하여 흔들리는 모습을 볼 수 있었다.
♬ 물이 많을수록 물이 흔들리며 진동하는 모습이 크지 않았고, 물이 적을수록 물 의 진동하는 모습이 크게 나타났다.
♬ 음계에 따른 주파수 변화모습
(물이 많을 경우 주파수 변화↓, 물이 적을 경우 주파수 변화↑)
도 레 미 파
솔 라 시 높은 도
9. 탐구결과
유리잔의 물이 많으면 많을수록 낮음을 내었으며, 물이 적을수록 높은음을 내었다. 주파수 변화 또한 물이 많을수록 주파수 변화가 낮았고, 물이 적을수록 그 변화가 컸음을 알 수 있었다. 유리잔을 손으로 문질렀을 때 유리잔의 물이 진동하여 흔들리는 모습을 볼 수 있었다.
10. 그 외 인터넷을 통해 알게 된 점
▶ 유리잔을 문지르면 소리가 나는 이유?
♬ 서로 다른 음을 내는 유리잔
같은 모양의 유리잔에 물의 높이를 서로 다르게 채우고 음악을 연주하는 모습을 볼 수 있다. 단지 물 높이만이 틀릴 뿐인데 신기하게도 서로 다른 음을 내고 있다. 집에 있는 음료수 병에 입을 대고, 잘 불면 뱃고동 소리 같은 것이 나게 된다. 이제 높이가 다른 음료수병을 입에 대고 불면 비슷한 소리가 나지만 들리는 음의 높이는 차이가 있다.
< 소리 주파수의 높낮이 >
♬ 소리의 높낮이
소리는 공기의 압력변화 때문에 만들어지며 압력이 얼마나 빨리 변화하는 것에 따라 (주파수) 높낮이가 구별된다. 높은 소리는 주파수가 높기 때문에 한번 진동하는 길이(파장)가 짧고, 주파수가 낮을수록 반대로 한번 진동하는 길이가 길어진다. 위의 그림과 같이 똑같은 시간에 두 번 진동하는 소리와 한번 진동하는 소리가 있다면 두 번 진동하는 소리가 더 높은 음을 발생하게 된다.
♬ 물체의 고유진동수
우리가 책상을 두드리면 두드릴 때 마다 항상 같은 소리를 낸다. 책상 말고 다른 물체를 두드리면 책상과는 다른 혼자만의 독특한 소리가 난다. 물체마다 서로 다른 혼자만이 갖고 있는 독특한 소리를 내게 된다.
모든 물체는 고유진동수라는 것을 가지고 있다. 물체가 각기 다른 소리는 내는 것은 책상을 두드리는 것 같이 외부의 힘이 가해지면 물체는 자신만이 갖고 있는 고유진동수로 진동하게 되고, 이 진동은 공기에 전달되어 소리가 만들어지기 때문이다. 이러한 고유진동수는 물체의 형태, 장력, 탄성, 밀도 등에 따라 서로 틀리게 된다. 같은 나무라고 하더라도 속이 파내면 다른 소리가 나고, 크기가 달라져도 서로 다른 소리를 내게 된다.
♬ 유리잔의 고유진동수
손가락에 물을 묻혀 유리잔의 테두리를 문지르면 유리잔과 손가락의 마찰로 인해 유리잔은 자신의 고유진동수에 따라 진동하게 된다. 이 진동 때문에 유리잔에 담겨있는 물도 함께 진동한다. 유리잔의 테두리를 문지를 때 물 표면에 잔물결이 생기거나 물방울이 튀는 것을 눈으로 볼 수 있다. 이러한 유리잔의 진동이 공기로 전달되고, 공기도 진동하여 소리가 발생한다.
유리잔에 물을 채울수록 질량은 점점 커지게 되고, 이러한 질량의 변화로 유리잔의 고유진동수도 변하게 되어 소리의 높낮이가 바뀌게 된다. 질량이 커질수록 고유진동수는 작아지기 때문에 낮은 음이 생기게 된다. 그러므로 유리잔에 담겨 있는 물의 양이 많아질수록 고유진동수가 작아져서 더 낮은 소리가 나고, 반대로 물이 적을수록 높은 소리가 나게 된다.
▶ 진동수와 소리의 높낮이
① 포도주잔 테두리 문지르기 : 물이 많을 경우↓, 물이 적을 경우↑
모든 물체는 고유 진동수를 가지고 있다. 여기서 진동수는 1초당 흔들리는 횟수를 말한다. 유리잔도 (유리)의 재질, 탄성, 두께, 기하학적 모양 등에 따라 고유의 진동수를 가진다. 물체의 고유진동수와 같은 진동수로 외부에서 흔들어주면 물체의 진동은 점점 증가하게 된다. 이렇게 물체를 외부에서 흔들어주는 것을 강제진동이라고 하며, 물체와 외부에서 가해주는 진동수가 일치하는 것을 공명이라고 한다. 공명 현상이 일어난다는 것은 힘과 속도의 방향이 같아서 연속적으로 물체를 운동 방향으로 밀어내기 때문에 진폭이 커짐을 의미한다. 에너지는 진폭의 제곱에 비례하므로 진폭이 커진다는 것은 공명 조건에서 에너지가 가장 효율적으로 전달된다는 것을 의미한다.
그네를 예로 들어, 1초에 2번씩 왔다 갔다 한다면 고유진동수는 2Hz이다. 이 때 이 그네의 진동을 더 크게 하려면 뒤에서 밀어주는 사람은 그네가 뒤로 왔다가 가는 순간마다 밀어주어야 한다. 따라서 그네를 밀어주는 진동수도 역시 1초에 2번씩이므로 2Hz가 된다.
이렇게 그네의 진동수(물체 고유의 진동수)와 같은 진동수(외부의 진동수)로 그네를 밀어주면(강제진동 시키면) 그네의 진동은 점점 커지게 된다.
컵의 고유진동수와 같은 진동수로 진동을 시켜주면, 공명 상태에서 컵은 진동이 커지면서 소리를 내게 된다. 손가락에 물을 묻히고 컵의 테두리를 문질러 주면 컵과 손가락의 마찰로 인해 매우 빠른 진동이 발생한다.
유리잔이 비어 있을 때와 물이 담겨있을 때 소리가 틀린 이유는 소리를 만드는 물체의 진동수가 틀려지기 때문이다. 그런데 컵에 물을 넣으면, 컵과 물의 합쳐진 고유진동수가 물의 양에 따라 달라진다. 즉, 빈 잔의 경우에는 손으로 문지를 경우 컵의 잔이 빠르게 진동을 하여 높은 음의 소리를 내지만, 컵에 물이 찬 경우에는 손으로 문지른 경우에는 컵만 진동하는 것이 아닌 물도 같이 진동하기 때문에 질량이 증가하고, 그에 따라 진동수(소리의 높이)가 낮아지게 된다. 손가락이 다양한 진동수로 강제 진동시켜주면, 그 중에서 컵의 고유진동수와 일치하는 것만 공명상태가 되어 소리를 내게 된다.
② 빨대피리 연주 : 길이가 길수록↓, 짧을수록↑
이것은 빨대안의 공기가 떨리면서 소리를 만드는 것이다. 진동하는 빨대의 길이가 길면 매질(공기)이 늘어나므로 공기의 진동수가 낮아져 낮은 소리가 난다.
빨대는 일종의 관이며, 관은 길이, 굵기에 따라 소리가 달라진다. 공기가 빨대를 통과하면서 관속에는 정상파가 형성된다. 정상파는 서로 다른 두 파동이 반대방향으로 이동하면서 진행하며 만나서 마루와 마루, 골과 골이 만나 중첩이 되어 보강되는 점은 배가 되고 마루 골이 만나는 지점은 마디가 되어 이런 진동이 연결되어 나가는 것이다. 비엔나소시지가 계속 이어진 모양을 연상하면 된다. 소세지 모양의 볼록한 부분이 배, 가장 들어간 부분이 마디이다. 관의 열린 부분은 항상 배가 되며, 막힌 부분은 마디가 된다.
그런데 빨대의 길이가 짧아지면, 정상파의 기본 파장도 짧아진다. 파동의 속도는 파장×진동수이므로 파장과 진동수는 반비례하고, 따라서 진동수는 커지게 되어 높은 소리가 난다.
③ 음료수 병을 두드리는 연주 : 물이 적을 경우↑, 물이 많을 경우 ↓
유리컵을 치면 우선은 유리컵 표면에서 진동이 일어나고 그 진동이 주변의 공기를 진동 시킨다. 물의 높이가 높아질수록 유리의 진동 면적이 차츰 적어지기에 높은 소리로 변할 것 같지만, 사실은 유리컵의 진동 표면적은 동일한데 물의 압력으로 인하여 진동이 점점 둔해져 진동수가 감소하게 된다.
④ 음료수 병을 입으로 부는 연주 : 물이 많을 경우↑, 물이 적을 경우↓
병의 입구를 입으로 부는 것은 병 내부의 공기를 진동시키는 것이다. 물의 양이 많을수록 병 속의 공기가 진동할 수 있는 공간이 적어지므로 파의 기본 파장이 짧아져서 진동수가 높아지게 된다.
♬ 인간의 목소리로 유리잔을 깨는 것이 가능한가?
외부에서 물체가 가진 고유한 진동수와 비슷한 진동수를 가해줄 때 진동이 커지는 현상을 공명이라고 한다. 바람의 진동수와 다리의 입자의 진동수가 서로 같게 되면 갑자기 공명현상이 일어나게 되어 다리가 무너질 수도 있고, 미국에서 실제로 그런 일이 일어났다. 만약 성악가의 음의 진동수와 유리잔의 입자진동수와 서로 같게 되면 갑자기 공명이 일어나 결국 유리잔이 더 이상 그 모습으로 있지 못하고 깨지게 된다.
11. 탐구를 통해 알게 된 점
유리잔의 물이 많을수록 낮은음, 적을수록 높은음을 내었는데, 8개의 유리잔 중에서 물이 제일 많은 유리잔은 낮은음인 음계 “도” 소리를 내었다. 물이 2번째로 많은 유리잔은 “레”음계의 소리를 내었는데 점점 물의 양이 적어질수록 높은음을 내었다. 유리잔의 물이 적을수록 물이 흔들리고 진동하는 모습이 커진 것을 알 수 있었다. 물이 채워져 있는 유리잔을 문질렀을 때 단순히 유리잔속의 물만 진동하는 것으로 생각했는데 물 뿐만이 아니라 컵 또한 함께 진동하여 소리를 낸다는 사실 또한 이 실험을 통해 알게 되었다.
12. 탐구를 마치며
TV에서 유리잔의 물높이를 달리하여 소리는 내고, 음계를 맞추어 연주하는 모습을 보면서, 과연 진짜 소리가 나고, 연주까지 할 수 있을까 하는 생각을 했었다. 처음 유리잔 문질렀을 때는 혹시나 유리잔이 깨지지나 않을까 하는 생각과 어떻게 소리를 내는 방법을 몰라 소리내기가 어려웠었다. 소리는 내는 것보다, 음계를 맞추는게 더 힘들었던 것 같다. 실험 전에는 실험하기 어렵고 복잡해보였지만, 유리잔으로도 얼마든지 쉽게 연주할 수 있었다.
유리잔 외에도 우리 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 것들을 이용해 연주할 수 있는 것들이 무엇이 더 있는지 더 알아보고 싶은 마음이 생겼다. 실험이라고 생각하면 시작도 하기 전에 어려울거라 생각하고 해볼 생각조차 하지 않았었다. 이번 실험을 통해 얼마든지 쉽고 재미있게 실험을 할 수 있는지를 깨닫게 되었다.
13. 참고자료
* 사이버교육관 - 과학실험실 - 3페이지
* 사이버교육관 - 테마과학 - 생활 속의 과학 -2페이지
http://www.science.go.kr/
http://blog.naver.com/eminhee0929?Redirect=Log&logNo=20029716013
http://kin.naver.com/detail/detail.php?d1id=11&dir_id=110202&eid=HrGljxOlFxCMZJ6nqI3gjfT8Ko7VvQaM&qb=wK+4rsDcIL+swdY=
http://blog.naver.com/320tldk?Redirect=Log&logNo=70012446479
* 유리잔연주 동영상
http://blog.naver.com/buffalocho?Redirect=Log&logNo=80038784637
http://blog.naver.com/kiue8220?Redirect=Log&logNo=140047505380
http://www.mncast.com/player/index.asp?movieID=10055967520071101100718&player=7&keyword=%uBB3C%uC794%uC5F0%uC8FC
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