[理知논술]대입논술, 이것만은 알아두자

풍선의 헬륨 마시고 말하면 이상한 소리가 나요

헬륨은 공기보다 밀도 훨씬 낮아

소리 전달 속도↑… 목소리 높아져

《텔레비전 쇼 프로그램을 보면 연예인들이 풍선에 든 헬륨가스를 마시는 장면이 종종 등장한다. 헬륨가스를 마시면 그 사람의 평소 목소리가 아닌 생소한 목소리가 나온다. 이런 현상이 생기는 이유는 무엇일까?》

우리가 듣는 소리는 음원으로부터 발생한 진동이 공기를 진동시키고 그 진동이 우리의 청각을 자극하면서 만들어진다. 이때 진동수가 높으면 높을수록 소리도 높은 음(크기가 아니라 음의 높낮이)으로 들린다. 진동수라는 것은 파동이 1초 동안 몇 번이나 진동하는가 하는 것으로 단위는 헤르츠(Hz)를 사용한다.

→ 진동수가 크면 높은 소리로 들린다

사람의 목은 소리를 낼 수 있는 성대라는 근육을 갖고 있다. 성대는 폐에서 나온 공기가 통하는 곳으로, 호흡을 할 때 열리고, 목소리를 낼 때는 닫히면서 호흡이 이뤄지고, 목소리가 나오는 것이다. 목소리는 폐에서 나오는 공기가 성대를 통과할 때 압력이 변화되어 진동하기 때문에 만들어진다.

사람마다 성대의 모양이 다르기 때문에 공기의 진동수가 달라져 각기 다른 목소리가 나오는 것이다. 성인의 목소리는 평균적으로 남자의 경우 130Hz, 여자의 경우 205의Hz진동수를 가지므로 여자의 목소리가 더 높게 들린다.

→ 매질의 밀도가 낮을수록 소리의 속도가 빠르다

빛과 같은 전자기파는 매질(어떤 파동 또는 물리적 작용을 한곳에서 다른 곳으로 옮겨 주는 매개물)의 도움 없이 진행하지만, 소리와 같은 역학적 파동은 매질의 진동이 전파하는 파동이다. 따라서 소리는 매질의 특성에 따라 그 속도가 달라진다.

역학적 파동의 속도에 영향을 미치는 매질의 두 요소는 ① 탄성과 ② 관성이다. 기타의 음을 조율할 때 기타 줄을 팽팽하게 감으면 더 높은 소리가 나는 이유는 줄의 장력이 커지기 때문이다. 즉 매질의 탄성이 크면 클수록 파동의 속도가 빨라진다. 또한 소리가 기체보다는 액체, 액체보다는 고체 매질에서 더 빨리 전달되는 이유도 매질의 탄성 때문이다.

같은 장력으로 줄을 잡아당겨도 줄의 질량(밀도)이 크면 파동의 속도가 느려진다. 즉, 파동의 속도는 로 정해진다.

그러므로 공기 중에서 소리의 속도는 밀도가 낮을수록 빠르다. 기온이 높을수록 공기의 밀도가 낮아지므로 소리의 속도는 고온의 공기에서 더 빨리 전파된다.(고려대학교 수시 2학기 기출문제 논제 3번) 밀도가 낮은 기체 속에서 소리의 이동 속도는 빨라지고, 이므로 소리의 전달 속도가 빨라질수록 진동수가 증가해 높은 음으로 들린다.

→ 헬륨을 마시고 말을 하면 평소보다 약 3배 높은 소리가 난다

보통 공기는 분자량이 28인 질소가 약 78%, 분자량 32인 산소가 약 21%를 차지하고 있다. 따라서 공기의 분자량은 약 29다. 풍선 속의 헬륨(He)은 분자량이 4이므로, 밀도가 공기보다 7배 이상 낮다.

따라서 우리가 헬륨을 마시면 우리의 폐는 보통 공기보다 밀도가 훨씬 낮은 헬륨으로 채워지는 것이다. 0℃ 공기 중에서 소리의 속도는 331m/s이며 헬륨에서의 소리의 속도는 970m/s이므로 헬륨을 마시고 말을 하면 평소보다 세 배 정도 높은 목소리가 나온다.

→ 헬륨의 특징

切萱