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과학

진동

진동과학
영문명
Oscillation
주요 물리량
진폭, 주기, 위상
기본 모형
조화 진동
주요 구분
자유 진동과 강제 진동
관련 효과
감쇠와 공명
진동은 물리량이 평형 상태나 일정한 범위 주변에서 반복적으로 변하는 현상이다. 되돌리는 작용과 관성, 에너지 손실 및 외부 구동이 진동의 형태를 결정한다.

평형으로 돌아가려는 운동

용수철에 연결된 질량이 평형에서 벗어나면 원래 위치로 되돌리는 힘을 받는다. 관성 때문에 평형을 지나치고 반대쪽으로 움직이면서 반복 운동이 생길 수 있다.

복원력이 변위에 비례하고 손실이 없는 단순 모형은 조화 진동으로 설명한다. 실제 장치에서는 마찰과 비선형성이 있어 이런 모형의 적용 범위를 확인해야 한다.

에너지가 사라지는 진동

공기 저항과 내부 마찰 등으로 진동 에너지가 다른 형태로 전환되면 진폭이 줄어든다. 이를 감쇠라고 한다. 감쇠가 매우 크면 평형을 지나 반복하지 않고 돌아오기도 한다.

에너지 손실이 있다는 사실과 에너지가 보존되지 않는다는 주장은 다르다. 진동계에서 빠져나온 에너지는 열이나 다른 운동으로 전달될 수 있다.

밖에서 주기적으로 흔들 때

외부 힘이 계속 반복되어 진동을 유지하면 강제 진동을 다룬다. 응답의 크기와 위상은 구동 주파수와 계의 특성에 따라 달라진다.

특정 주파수 부근에서 응답이 커지는 공명이 나타날 수 있다. 진폭이 무한히 커진다는 결론은 손실이 없는 이상화에서 생기며 실제로는 감쇠와 구조의 제한이 중요하다.

물체의 운동 이외의 진동

전기 회로에서 전하와 전류가 변하는 현상도 진동으로 분석할 수 있다. 역학계와 회로가 비슷한 수학적 방정식을 갖는 경우가 있어 공통된 해석 방법을 적용한다.

주기적으로 보이는 모든 현상이 정확히 하나의 사인파는 아니다. 여러 진동 성분과 시간 변화가 섞일 수 있으므로 데이터와 모형 사이의 차이를 살펴야 한다.

관련 문서

진동수 / 공명 / 파동