스피트건의 원리

과속 차량 꼼짝마 - 스피드건의 원리

시원하게 뚫린 국도를 달린다. 날씨는 맑고 길가의 꽃은 아름답다. 이때 앰뷸런스가 급하게 달려오는 소리가 들린다. 앰뷸런스가 나를 추월할 수 있도록 오른쪽 차선으로 옮겨서 천천히 달린다. 앰뷸런스가 지금 나에게 다가오고 있는지 아니면 멀어지고 있는지 우리는 경험상 구별할 수 있다. 앰뷸런스가 다가올수록 사이렌 소리가 앵～앵～에서 앵~앵~ 하며 더 촘촘하고 높은 소리로 변하고, 또 앰뷸런스가 일단 지나가면 앵～～앵～～하며 느슨해지고 낮은 소리로 변하는 것을 많이 경험했기 때문이다. 라디오에서는 한때 시속 156킬로미터의 강속구를 자랑하던 박찬호 선수가 부상에서 회복하여 다시 시속 151킬로미터의 직구를 던졌다는 소식과 함께 신나는 음악이 흘러나온다. 앗, 언뜻 길가에 서 있던 경찰 아저씨를 본 것 같다. 손에 뭘 들고 있던데……. 속도계를 본다. 아뿔싸 나도 모르게 과속을 하고 말았구나!때늦은 후회는 백 번해도 아무런 소용이 없다. 그런데 박찬호 선수의 투구 속도와 자동차의 속도는 어떻게 측정을 할까? 야구공과 자동차는 그야말로 눈 깜짝할 사이에 지나가는데……. 

둘 다 권총 모양으로 생긴 스피드건(Speed Gun)을 이용하여 측정한다. 그 조그만 기계로 잠깐 사이에 벌어지는 일을 측정하는 것을 보면 뭔가 대단히 복잡한 원리가 있을 것 같지만, 사실은 우리가 사이렌 소리를 듣고 앰뷸런스가 다가오는지 아니면 멀어지는지를 아는 것과 똑같은 원리를 사용할 뿐이다. 이것을 도플러효과(Doppler Effect)라고 한다. 

파동은 각기 다른 파장과 진동수를 갖고 있다. 파장이란 파동의 모습이 다시 돌아올 때까지의 거리이며, 진동수란 파동이 1초에 몇 회나 반복되는가를 말한다. 진동수는 흔히 주파수라고도 하는데 단위는 Hz(헤르츠)를 사용한다. 라디오 파와 같이 파장이 긴 파동은 느슨하고, X-레이는 파장이 짧아서 파동이 촘촘하다. 그런데 파동의 근원과 관측자 사이가 가까워지면 파장이 짧아지고, 멀어지면 파장이 길어진다. 즉, 진동수(주파수)가 변하는 것이다(파장과 진동수는 반비례한다). 이 현상이 바로 위에서 말한 도플러효과이다. 

스피드건이 다가오는 야구공이나 자동차를 향해서 레이더 파를 발사하고, 다시 반사되어 되돌아오는 레이더 파를 감지한다. 이때 되돌아 온 레이더 파는 도플러효과 때문에 처음 발사한 레이더 파보다 파장은 짧아지고 주파수는 더 커진다. 주파수가 변하는 정도는 야구공이나 자동차가 움직이는 속도에 의해 결정된다. 스피드건은 이 변화의 정도를 측정하여 야구공과 자동차의 속도를 계산해 준다. 

인간이 사용하는 모든 기술의 근원은 자연이다. 어떤 기술을 인간이 가장 먼저 발명했다고 생각하는 것은 커다란 착각이다. 반사되는 음파를 이용하여 나방과 같은 벌레의 위치를 판단하고 먹이사냥을 하는 기술을 박쥐는 이미 갖고 있다. 이 효과에 도플러라는 오스트리아 과학자 이름이 붙은 것이 박쥐는 꽤나 억울할 것이다. 

또 도플러효과는 소리나 레이더 파뿐만 아니라 빛을 포함하여 전파 등 모든 파동에서 나타난다. 교통경찰이 사용하는 속도계 가운데에는 빛의 주파수를 이용하는 것들도 있다. 또 빛의 도플러효과를 이용하여 우주가 팽창하고 있다는 사실도 밝혀냈다. 만약에 은하들이 지구에 다가오고 있다면 은하에서 우리에게 오는 빛의 파장은 촘촘해져서 원래 색보다 보라색 쪽에 가깝게 보일 것이고, 반대로 은하들이 멀어지고 있다면 은하에서 오는 빛의 파장은 느슨해져서 원래 색보다 빨간색 쪽에 가깝게 보일 것이다. 그런데 1929년 우주에서 오는 빛의 스펙트럼을 분석하던 천문학자 허블(Hubble)은 은하에서 오는 빛의 파장이 느슨해지면서 빨간색 쪽으로 이동하는 것을 발견하였다. 이것은 앰뷸런스가 멀어지듯 은하들이 서로 멀어지고 있고 우주가 팽창하고 있다는 것을 말해주는 것이다. 

단 0.47초 사이에 일어나는 박찬호의 투구속도와 150억 년이라는 어마어마한 시공간 속에서 일어난 우주의 팽창을 같은 원리로 측정하는 것을 보면, “영원(永遠)이란 찰나(刹那)의 연속”이란 말이 실감이 난다. (글 : 이정모-과학칼럼리스트) 

(출처 : KISTI의 과학향기)