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횡파와 종파 (Transverse and Longitudinal Wave)

쉽게 풀면

긴 줄넘기 줄을 위아래로 흔들면 줄은 위아래로 출렁이지만, 물결은 옆으로(앞으로) 퍼져나갑니다. 이렇게 흔들리는 방향과 파동이 나아가는 방향이 서로 직각(수직)을 이루는 파동을 횡파라고 하며, 팽팽한 줄의 파동이나 빛이 대표적입니다.

반대로 스프링(슬링키)의 한쪽 끝을 앞뒤로 밀었다 당겼다 하면, 스프링이 촘촘해졌다 느슨해졌다 하면서 그 변화가 진행 방향과 나란하게 퍼져나가는데, 이것이 종파입니다. 우리가 듣는 소리가 바로 이 종파에 해당하며, 공기 입자가 소리의 진행 방향과 같은 방향으로 촘촘해졌다 성겨졌다 하며 전달됩니다.

왜 중요한가

파동을 횡파와 종파로 구분하는 것은 지진학, 음향학, 광학, 재료공학 등 파동이 다루어지는 거의 모든 분야에서 기초가 되는 개념입니다. 두 파동은 전파 속도, 매질과의 상호작용 방식, 편광 가능 여부 등이 근본적으로 다르기 때문에, 매질 내부 구조를 추정하거나 신호를 해석할 때 어떤 종류의 파동을 관측하고 있는지가 분석 방법 전체를 좌우합니다.

핵심 정리

파동은 매질의 입자(또는 장)가 진행 방향에 대해 어느 쪽으로 진동하는가로 나눕니다.

• 횡파: 진동 방향이 진행 방향에 수직입니다. 팽팽한 줄을 위아래로 흔들 때의 파동이 전형적이고, 전자기파(빛)도 전기장·자기장이 진행 방향에 수직으로 진동하는 횡파입니다.
• 종파: 진동 방향이 진행 방향과 나란합니다. 공기 중의 소리처럼 압력이 높은 곳(밀)과 낮은 곳(소)이 번갈아 이동합니다.
• 탄성 고체 안에서는 두 종류가 함께 전파됩니다. 지진학에서는 종파를 P파(압축파), 횡파를 S파(전단파)라고 부릅니다.
• 이상적인 유체(액체·기체)는 전단 변형에 저항하지 않으므로 전단파가 전파되지 않고 종파만 전파됩니다.

균질한 등방성 고체에서 두 속도는 체적탄성률 K, 전단탄성률 G, 밀도 ρ로 다음과 같이 쓰입니다(Aki & Richards, 2002).

vP = √[(K + 4G/3) / ρ], vS = √(G / ρ)

G > 0이면 v_P가 항상 v_S보다 커서, 지진계에는 P파가 먼저 도착합니다.

예시로 보기

작은 예(가상의 값, 균질한 암석 가정). K = 55 GPa, G = 30 GPa, ρ = 2,700 kg/m³이면 코드로 계산한 속도는 다음과 같습니다.

P파와 S파의 도착 시간 차이가 Δt = 10초였다면, 두 파가 같은 경로를 같은 속도로 왔다고 가정할 때 진원까지의 거리는 d = Δt · v_Pv_S / (v_P − v_S) ≈ 76 km입니다. 실제 지구는 균질하지 않으므로 이는 원리를 보여 주는 계산일 뿐이며, 실제 진원 위치는 여러 관측소와 속도 구조 모형을 함께 사용해 구합니다.

자주 하는 오해

• “소리는 종파, 빛은 횡파”만 외우면 틀립니다. 구분 기준은 물질의 종류가 아니라 진동 방향과 진행 방향의 관계입니다. 고체 속에서는 소리(탄성파)도 횡파 성분을 가질 수 있습니다.
• 수면의 물결은 순수한 횡파가 아닙니다. 수면파에서는 물 입자가 원이나 타원에 가까운 궤도를 그리므로 횡 성분과 종 성분이 섞여 있습니다. 횡파의 모형으로는 줄의 파동이 더 정확합니다.
• “횡파는 위아래로만 흔들린다”가 아닙니다. 진행 방향에 수직인 평면 안이면 어느 방향이든 가능하며, 그래서 편광이 생깁니다. 종파는 진동 방향이 진행 방향 하나뿐이어서 편광이 없습니다.
• 횡파·종파의 구분은 탄성파·전자기파에 모두 쓰이지만, 전자기파는 매질 없이도 진행합니다. 입자의 진동이 아니라 장의 진동이라는 점이 다릅니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

실제 논문에서

이 용어를 직접 쓴 국내 논문 문장을 아직 수집하지 못했습니다. 수집되는 대로 출처와 함께 싣겠습니다.

예시 문장

아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.

이 문장은 "지진이 발생하면 진동 방식이 다른 두 종류의 파동이 각각 다른 속도로 퍼져나가는데, 그 도착 시간 차이를 이용해 진원 거리를 계산했다"는 뜻입니다.

비파괴 검사 분야에서 종파와 횡파의 서로 다른 특성을 조합해 재료 내부 결함을 진단했다는 의미입니다.

광학 실험에서 빛의 파동적 성질을 검증할 때, 편광 현상이 횡파에서만 가능하다는 점을 근거로 든다는 뜻입니다.

조금 더 깊게 보면

횡파와 종파의 근본적인 차이 중 하나는 편광(polarization) 현상의 유무입니다.

진동 방향이 진행 방향에 수직인 횡파는 그 수직인 평면 안에서 다양한 방향으로 진동할 수 있어 편광 필터로 특정 방향의 진동만 선택적으로 통과시킬 수 있지만, 진행 방향과 나란히 진동하는 종파는 애초에 진동 방향이 하나로 고정되어 있어 편광이라는 개념 자체가 적용되지 않습니다.

또한 지진파처럼 고체 매질에서는 횡파(전단파)와 종파(압축파)가 함께 발생할 수 있지만, 액체나 기체는 전단 변형을 견디지 못하기 때문에 일반적으로 종파만 전파될 수 있다는 점도 매질의 상태를 추정하는 데 활용됩니다.

주의할 점

흔히 "소리는 종파, 빛은 횡파"라고만 외우기 쉬운데, 실제 구분 기준은 매질의 진동 방향과 파동 진행 방향의 관계입니다. 이 진동은 등가속도 운동과 달리 일정한 주기로 반복되는 운동이라는 점에서 성격이 다르므로 혼동하지 않아야 합니다.

헷갈리기 쉬운 용어

같은 ‘파동’이어도 무엇이 진동하는지가 다릅니다.

전자기파는 진공에서도 전파되지만, 역학적 파동(줄·소리·지진파)은 매질이 필요합니다.

참고 문헌

1. Aki, K., & Richards, P. G. (2002). Quantitative Seismology (2nd ed.). University Science Books.
2. Graff, K. F. (1975). Wave Motion in Elastic Solids. Oxford University Press.
3. Hecht, E. (2017). Optics (5th ed.). Pearson.

표의 기준값은 위 문헌에 근거한 관례이며, 분야·학술지마다 다른 기준을 쓸 수 있습니다.

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