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🌸 보이지 않는 파도, 들리는 떨림: 압력과 소리의 과학
🌹 공기의 압력을 재는 단위
공기의 압력(기압)은 다음과 같은 단위로 측정합니다:
🌼 Pascal (Pa) : 압력의 국제단위
- Pa (파스칼): 국제 단위계(SI) 기본 단위.
- 1 Pa = 1 N/m² (1제곱미터 당 1뉴턴의 힘)
- 프랑스의 과학자 Blaise Pascal(블레즈 파스칼)의 이름에서 유래
- 블레즈 파스칼 : 기압(공기의 압력)이 있다는 것을 수학과 실험으로 증명한 사람 : 예전 사람들은 공기엔 무게가 없다고 생각했지만, 파스칼은 "아냐, 공기도 누르고 있어!"라고 말한 사람.
🌼 Hectopascal (hPa) : 100 파스칼
- hPa (헥토파스칼): 날씨 예보에서 주로 사용.
- 1 hPa = 100 Pa
- 평균 해수면 기압은 약 1013 hPa
- Hecto = 100 (고대 그리스어 hekaton에서 유래, “백(100)”의 뜻)
- Pascal = 위에서 설명한 파스칼
🌼 Atmosphere (atm) : 1기압 = 지구 해수면에서의 평균 공기압
- atm (기압): 대기압을 기준으로 한 단위.
- 1 atm(1기압) = 1,013 hPa (101,325 Pa)
- Atmos = 공기 (고대 그리스어 atmos = '증기, 안개')
- Sphere = 구형(지구처럼 둥근 것)
- 우리가 늘 받는 공기 압력을 1 atm으로 정한 것: 마치 "기준이 되는 공기 압력의 단위"
🌼 psi (pounds per square inch) : 1제곱인치당 파운드 무게의 압력
- psi (pounds per square inch): 주로 타이어 압력 등에서 사용.
- 1 atm ≈ 14.7 psi
- Pound: 무게 단위, 약 0.45kg (옛날 로마 단위 libra pondo에서 유래: “무거운 저울”)
- Per: ~마다 (라틴어)
- Square Inch: 한 변이 1인치(2.54cm)인 정사각형
🌼 mmHg (밀리미터 수은주): 혈압 등에서 사용.
- 1 atm ≈ 760 mmHg
🌹 압력의 현실적 느낌
🌼 1 Pa (파스칼) – 티슈 한 장이 손등에 얹힌 느낌
- 1 Pa = 1N ÷ 1m² →
1 Pa는 1㎡ 넓이에 약 100g 정도의 물건을 살짝 올려놓은 정도의 압력 - 현실 느낌:
👉 종이 1~2장, 가벼운 티슈 한 장이 손등에 닿는 느낌
미세하고, 사람은 느끼기 힘든 정도의 압력.
🌼 1,000 Pa = 10 hPa – 책 한 권이 손등에 올려진 느낌
- 약 1kg 정도의 물건을 1㎡ 위에 놓았을 때의 압력
- 👉 A4용지 한 뭉치(약 500장)가 탁자 위에 있는 느낌
🌼 10,000 Pa = 100 hPa – 책 10 권이 손등에 올려진 느낌
무게감이 확실히 느껴지는 압력.
🌼 101,325 Pa = 1013 hPa = 1기압(atm) – 우리가 매일 받고 있는 실제 공기압
- 사람 키만한 탁자 위에 10kg짜리 쌀포대 10개를 눌러놓은 느낌
= 1㎡에 약 1톤(10,000N)의 압력
🌼 32 psi (자동차 타이어 압력) – 강하게 바람 넣은 자전거 타이어 손으로 눌러보기
- 1 psi ≈ 6,895 Pa →
32 psi ≈ 220,000 Pa = 2.2 atm
→ 기압의 2배 이상이 들어간 압력
| 압력 | 실제 값 | 감각적 느낌 |
| 1,000 Pa = 10 hPa | 1kg/손바닥 | 책 한 권 |
| 2,000 Pa = 20 hPa | 2kg/손바닥 | 책 두 권 |
| 5,000 Pa = 50 hPa | 5kg/손바닥 | 책 다섯 권, 쌀 반 가마 |
| 10,000 Pa = 100 hPa | 10kg/손바닥 | 책 10권 또는 쌀 한 가마 |
| 101,325 Pa = 1기압 | 100kg/손바닥 | 성인 한 명이 손바닥에 올라앉은 느낌 (비현실적이지만 수치상 맞음) |
🌸 우리가 매일 받고 있는 실제 공기압
🌼 1기압 = 101,325 Pa = 1013 hPa
→ 이는 1㎡(1m × 1m) 면적에 101,325N의 힘이 가해지는 압력입니다.
🌼 무게로 환산하면:
101,325N ÷ 9.8m/s2 ≈ 10,340 kg→ 1㎡당 약 10톤이 눌러지고 있는 것과 같습니다.
🌼 그럼 손 등엔 얼마나 작용할까요?
- 손바닥 면적: 약 100cm² = 0.01 m²
- 그러면 작용하는 힘은:
10,340kg×0.01=약 100kg즉, 손 등에는 항상 약 100kg 무게의 공기가 누르고 있는 셈입니다.
🌼 그런데… 왜 안 무겁지도, 아프지도 않나?
우리 몸 안에도 똑같은 압력(1기압)이 있어서, 서로 밀어내는 힘이 균형을 이루고 있기 때문입니다.
- 우리 몸은 바깥 기압에 맞춰 피부 안쪽, 장기, 혈관, 폐, 입, 귀까지
모두 똑같은 기압을 유지하며 살아갑니다. - 그래서 누르는 것도 없고, 터지는 것도 없고, 아픈 것도 없습니다.
🌻 “공기의 양”과, “공기의 압력”
대기권 바깥은 공기 바다처럼 무수한 공기 분자들로 꽉 차 있고, 내 몸속(폐, 장기, 조직)에 있는 공기는 작은 일부에 불과하다. 그러나, 압력이란 “양”이 아니라 “충돌 빈도와 세기”를 말한다.
외부 공기
- 바다처럼 공기로 가득 차 있고,
- 분자들이 정신없이 돌아다니며 모든 방향으로 충돌
→ 압력: 1기압 (101,325 Pa)
몸속 공기
- 많지는 않지만,
- 그 내부의 폐, 혈액, 장기들 안에서도
그 공간을 메우는 공기나 체액이
똑같은 밀도, 똑같은 충돌 속도로 벽을 두드림
→ 내부 압력도 똑같이 1기압
🌼 진공상태로 가면 사람 몸이 터질까?
진공 상태란?
진공이란 공기가 거의 없는 상태입니다.
→ 기압 ≈ 0 hPa, 즉 외부에서 우리 몸을 누르는 압력이 없는 상태라는 뜻.
그럼 몸은 위험한가?
우리 몸은 항상 바깥 공기와 1기압(1013 hPa)의 균형을 이루며 살아가죠.
그런데 바깥이 갑자기 진공이 되면…
| 내부 압력 | 외부 압력 | 결과 |
| 약 1기압 (1013 hPa) | 0기압 (진공) | 바깥으로 터지듯 밀어내려는 힘 발생 |
즉, 몸 안의 공기, 체액, 혈액, 가스들이 밖으로 팽창하려고 합니다.
실제로 몸이 “터지나요?”
“펑!” 하고 터지진 않습니다 (영화 속 장면처럼 터지는 건 아니다)
- 사람 몸은 단단한 피부, 근육, 뼈로 꽉 짜여 있어서
즉시 폭발하거나 터지지는 않습니다. - 하지만 다음과 같은 심각한 문제들이 즉시 발생합니다:
| 폐 파열 위험 | 안에 있던 공기가 팽창 → 숨 참은 채 진공에 노출되면 심각한 손상 |
| 체액이 끓음 | 기압이 낮아지면 체온에서도 물이 끓어요 → 혈액, 눈물, 침, 세포액 등 |
| 의식 상실 | 약 15초 안에 실신 (산소 부족) |
| 급속한 동상 | 진공은 열도 뺏어감 → 몸이 급격히 냉각 |
| 점막 손상 | 눈, 입, 폐 점막이 파열될 수 있음 |
| 장시간 노출 시 | 몇 분 내 사망 가능 (압력차, 산소부족, 조직 손상 등 복합적 원인) |
실제로 있었던 일
- 1966년, NASA의 진공 실험 중 사고
한 기술자가 우주복 누출로 진공 챔버에 노출됨
→ 14초 만에 의식 잃음
→ 손가락이 부풀고, 침이 끓고, 폐가 손상
→ 90초 이내 구조 후 생존
🌹 압력차가 생겼을 때, 실제로 발생한 현실적인 사건
압력차가 생겼을 때, 이 힘은 실제로 폭발, 파열, 붕괴, 진공현상 등을 일으킵니다.
1. 진공 수조에서 드럼통 찌그러지는 실험
(가장 직관적이고 유명한 사례)
- 금속 드럼통 안의 공기를 가열 후 밀봉하고,
- 급속히 식히면 → 내부 공기 압력이 떨어져서
- 외부 대기압이 내부보다 훨씬 커짐
→ 찰나의 순간에 드럼통이 ‘우그러지는’ 사건 발생
원인: 외부 1기압 ≒ 10톤/㎡의 힘이 내부보다 커졌기 때문
2. 비행기 창문, 잠수함, 우주선 구조 설계
- 비행기 창문은 대기압과 기내 압력의 차이를 견디기 위해 특수한 구조로 만들어짐
- 고도 10,000m 상공: 외부 기압 ≈ 0.2기압
- 내부는 ≈ 0.8기압 유지
→ 압력 차 약 0.6기압 = 약 6톤/㎡
→ 창문이 잘못 설계되면 실제로 흡출 사고 발생
예: 2018년 Southwest 항공기 창문 손상 → 승객 1명 부분 흡출 후 사망
3. 잠수함·심해 구조물 붕괴
- 해저 1,000m: 수압 ≈ 100기압
→ 1㎡당 약 1,000톤의 압력 - 내부가 1기압이면, 외부와 99기압 차이
→ 조금만 설계 실수해도 즉시 붕괴, 폭발, 인명 사고
예: 타이탄 잠수정 사고 (2023)
→ 약 4,000m 수심에서 압력 차로 인한 구조 붕괴
4. 진공 병(보온병) 파손 사고
- 진공 병은 안팎의 압력 차를 이용한 구조지만
- 외부 유리가 깨지고, 내부에 공기가 유입되면
→ 압력 균형 깨짐
→ 내부 유리관이 산산이 터지는 사고도 종종 발생
5. 플라스틱 병 실험
- 페트병에 뜨거운 물 넣고 뚜껑을 닫고 식히면
→ 내부 기압 감소
→ 외부 대기압 > 내부 압력
→ 병이 찌그러짐
→ 가정에서도 실험 가능한 대기압 현상.
🌸 압력과 소리 : 성대에서 우주까지, 공기의 압력으로 만들어지는 소리의 여정
소리는 공기의 압력 변화(진동)입니다.
- 고정된 압력이 아니라,
→ 압력이 밀렸다가(고압), 흩어졌다가(저압) 하는 파동 - 이 변화가 초당 수백~수천 번 반복되면서 귀에 전달됩니다
이걸 우리는 음파(sound wave)라고 부릅니다.
즉, 소리는 압력의 '리듬 있는 떨림'이 공간을 타고 전달되는 현상이에요.
🌼 사람의 입김으로 촛불을 끄는 것
- 입김을 내쉰다는 건 → 폐 속 고압의 공기를 좁은 입으로 빠르게 내보내는 것
- 이때 압력의 흐름(공기 흐름)이 촛불의 불꽃 주위 공기 밀도를 흐트러뜨리고, 산소를 날려버리며 꺼지게 됩니다
압력 관련 포인트:
- 폐의 공기 압력이 대기압보다 높기 때문에 → 바람이 나감
- 입 모양을 좁히면 → 속도는 빨라지고, 국소적 압력이 세지며 → 불이 꺼짐
🌼 루치아노 파바로티가 노래하는 것
- 폐의 공기를 성대로 밀어올림 →
성대가 공기를 조절하며 진동 → 공기의 압력 파동 발생 - 이 파동이 입, 코, 입천장 등 공명기(공기방 구조)를 타고 정교하게 증폭되고 변형되어
그 유명한 테너 음성이 나옵니다
압력 관련 포인트:
- 파바로티의 폐와 횡격막은 정교한 공기 압력 조절 장치
- 공기의 흐름 속도와 압력의 미세 조절로 → 음색, 높이, 강도가 달라짐
🌼 색소폰 리드를 진동시켜 소리를 내는 것
- 입에서 불어넣은 공기 → 리드(얇은 나무판)를 진동시킴
- 리드가 열렸다 닫혔다 하면서 → 빠르게 압력 차를 만들어냄
- 이 압력 변화가 관 안에서 반사, 공명하며 → 소리로 나옴
압력 관련 포인트:
- 리드는 말 그대로 압력 밸브
- 입김의 압력이 없으면 리드가 진동조차 안 하고,
압력이 너무 세면 깨지거나 소리가 이상해짐
공통된 물리 원리
| 과정 | 압력의 역할 |
| 입김 | 압력 차에 의해 공기 흐름 발생 → 외부에 작용 |
| 발성 | 공기 압력으로 성대 진동 유도 → 음파 생성 |
| 악기 소리 | 압력 진동이 구조물(리드, 관)을 통해 소리로 증폭 |
| 요소 | 내용 |
| 압력 (Pressure) | 공기를 누르는 힘, → 공기의 흐름을 만듬 |
| 진동수 (Frequency) | 1초에 몇 번 진동하느냐, → 음의 높낮이(pitch) 결정 |
| 진폭 (Amplitude) | 진동의 세기, → 소리의 크기(loudness) 결정 |
| 파형/음색 (Timbre) | 파동의 모양, 배음 구성, → 음의 성격(음색) 결정 |
🌼 트럼펫 & 트럼본: 피스 악기의 압력-진동 구조
원리: 입술의 진동이 음파의 시작
- 입술을 빠르게 떨면서 트럼펫 피스를 불면
공기의 흐름이 입술을 주기적으로 열고 닫게 만들고,
그 결과 공기 압력의 파동이 생깁니다. - 이 파동이 금속관을 따라 이동하고,
길이와 굽힘, 벨(확산부)을 통해 공명 및 증폭됩니다.
트럼펫 vs 색소폰: 진동원 비교
| 구분 | 트럼펫 | 색소폰 |
| 진동원 | 입술 자체 | 리드 (얇은 나무판) |
| 공기 흐름 제어 | 입술로 압력과 개폐 조절 | 입김 압력으로 리드 진동 유도 |
| 소리 조절 | 입술 모양 + 압력 + 밸브 | 입김 + 키 조작 + 리드 상태 |
압력과 진동의 관계 (모든 경우 공통)
압력이 커지면 진폭(소리 크기)는 커진다
→ 더 크게 부르면 더 많은 공기 분자가 더 강하게 충돌 → 소리도 커짐
압력만으로는 진동수(음높이)가 결정되지 않음
- 진동수는 주로 진동체의 길이/두께/장력에 의해 결정됨
- 하지만, 압력이 지나치게 낮으면 진동 자체가 불가능하고,
너무 높으면 음색이 변질되거나 파열 가능
🌼 사람의 목소리와 색소폰의 비교
| 항목 | 목소리 | 색소폰 |
| 진동원 | 성대 | 리드 |
| 공명기 | 목구멍, 입, 코 | 금속 관 |
| 조절 수단 | 공기 압력, 성대 장력, 구강 모양 | 입김 압력, 키 조작, 리드 압착 |
| 압력 높아질 때 | 성대가 더 강하게 닫힘 → 소리 커짐 | 리드가 더 세게 떨림 → 음량 증가 |
| 압력 낮아질 때 | 진동 지속 어려움, 속삭임 수준 | 소리 작아지거나 진동 멈춤 |
진동수는 무엇에 의해 결정되나?
| 요소 | 영향 |
| 성대 장력 증가 | 음이 높아짐 (진동수↑) |
| 입술 벌림 조절(트럼펫) | 음높이 조절 가능 |
| 관 길이(트럼본 슬라이드, 색소폰 키) | 길어질수록 음 낮아짐 (진동수↓) |
| 리드 두께/탄성 | 얇고 단단할수록 고음, 두껍고 부드러우면 저음 |
압력은 ‘소리를 시작하게 하고’,
진동수는 ‘소리를 어떻게 들리게 할지’를 결정합니다.
그래서:
- 트럼펫이나 트롬본: 입술이 진동하는 범위 안에서 입김 압력으로 음량 조절,
음정은 입술 장력 + 밸브나 슬라이드로 조절 - 색소폰: 리드를 떨게 만드는 공기 압력과
관의 길이 변화(키 조작)로 음높이 조절 - 사람의 목소리: 성대가 진동 시작 → 압력과 성대의 장력이 음높이+크기 결정
🌼 사람 목소리 보충 설명
길이 (Length) – 음의 기본 높이(pitch)를 결정
- 성대가 길수록 진동수가 낮아집니다 → 낮은 음
- 성대가 짧을수록 진동수가 높아집니다 → 높은 음
예:
- 남성은 평균적으로 성대 길이가 17~25mm
- 여성은 12~17mm
- → 그래서 남성의 목소리가 기본적으로 더 낮습니다
두께 (Thickness) – 음의 풍성함 / 깊이에 영향
- 두꺼운 성대는 진동시 무겁게 움직이며 → 굵고 묵직한 소리
- 얇은 성대는 가볍고 섬세하게 떨림 → 맑고 가벼운 소리
예:
- 베이스 가수는 성대가 두껍고, 부피감 있는 공명을 만들어냅니다.
- 소프라노 가수는 성대가 얇고 가벼워 고음을 섬세하게 냅니다.
장력 (Tension) – 음의 변화 조절에 핵심
- 팽팽하게 당길수록 → 성대 진동수가 올라감 → 고음
- 느슨할수록 → 진동수 내려감 → 저음
이는 노래하거나 말할 때 우리가 실제로 조절하는 부분입니다.
- 고음 부를 때:
→ 성대를 얇게 만들고 장력을 높여 빠르게 진동 - 저음 부를 때:
→ 성대를 느슨하게 해서 천천히 진동
즉,
- 성대는 마치 바이올린 줄과 같아서,
- 줄을 짧게 누르면 → 음 높아짐
- 줄이 두껍고 무거우면 → 소리 낮아짐
- 줄을 팽팽하게 조이면 → 고음이 나옴
그래서 목소리는 조율 가능한 진동악기.
- 말하거나 노래할 때마다 성대의 길이, 두께, 장력을
뇌와 근육이 섬세하게 조절하고 있다. - 우리는 느끼지 못하지만, 목소리를 낼 때마다
성대는 초당 수백 번에서 수천 번 진동하고 있다.
물리적으로
▪️ 선천적으로 성대가 길고 두껍고 무거우면
→ 진동수가 느려짐 → 저음
(남성의 경우가 대표적)
▪️ 반대로, 성대의 장력을 높이면
→ 줄이 팽팽해짐 → 더 빠르게 진동 가능 → 고음
→ 이때 성대는 길이도 약간 늘어나지만,
→ 진동 특성은 장력 증가의 영향을 더 크게 받습니다.
음 낼 때 사람 목에서 실제로 벌어지는 일
- 성대가 얇아지고
- 앞뒤로 당겨지며 늘어나고
- 장력이 증가하고
- 진동 속도가 빨라져서 고음이 납니다
이 "늘어남"은 고정된 길이 변화가 아니라 일시적 조절이에요.
즉, 길어지는 것처럼 보이지만 → 고음이 나는 이유는 ‘장력’ 때문입니다.
| 상황 | 진동수 | 이유 |
| 선천적으로 성대가 길다 | 진동수 ↓ → 저음 | 길고 무겁기 때문 |
| 노래할 때 성대를 늘여 장력을 높인다 | 진동수 ↑ → 고음 | 장력 증가로 빠르게 떨림 |
| 길어지면서도 고음이 나는 건 왜? | 장력 증가 효과가 길이 증가보다 훨씬 큼 | 그래서 실제로는 고음 가능 |
진동원 vs 공명관
| 역할 | 내용 | |
| 진동원(Source) | 공기를 떨게 하는 시작점 → 기본 진동수(fundamental frequency) 결정 | 성대, 리드, 입술 |
| 공명관(Resonator) | 진동을 증폭하거나 특정 주파수를 강조 또는 억제 → 음색(timbre), 공명 주파수 결정 | 구강, 목, 관, 벨 |
색소폰, 트럼펫의 경우
| 리드 / 입술 | 진동원 → 기본 주파수 생성 |
| 금속 관(길이, 키, 밸브) | 공명관 → 특정 주파수를 증폭, 고유한 음색 결정 |
👉 손가락으로 구멍을 열고 닫는 행위는 ‘공명관의 길이’를 바꾸는 것이고,
→ 그 결과 공명이 일어나는 주파수 대역이 바뀌어 음높이 자체도 달라집니다.
사람의 경우
| 성대 | 진동원 → 기본 음높이 결정 |
| 후두 상부, 인두, 입, 혀, 입술 | 공명관 → 특정 배음 강조, 음색 변화 |
| 구강 구조 전체 | 포먼트(Formant) 공명 → 말소리, 모음 구별, 성별 구별 |
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