2026년 9월 30일 · 용티IYPT 2004 · 문제 11 · 역학·진동, 파동·음향

실을 타고 달리는 목소리 — 실전화기

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탐구 주제

IYPT 2004 문제 11 ‘String Telephone’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2004 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「파동과 소리」(소리의 발생과 전달, 매질, 소리의 3요소) / 고등학교 「물리학」의 파동 단원(횡파와 종파, 파동의 전파와 속력, 소리의 세기와 감쇠) / 「과학탐구실험1」의 탐구 수행 (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

종파(세로 진동), 횡파, 매질, 진폭, 소리의 세기(음압 수준·dB), 소리의 3요소, 장력, 선밀도, 영률(탄성 계수), 파동의 전파 속력, 음향 임피던스, 임피던스 정합, 감쇠, 내부 마찰(점탄성), 다이어프램(진동판), 신호 대 잡음비, 명료도(통화 품질)

원리 살펴보기

팽팽한 실 양 끝에 종이컵을 하나씩 매달았을 뿐인데, 어떻게 건너편의 작은 말소리까지 또렷이 들릴까? 컵에 대고 말하면 목소리가 컵 바닥의 얇은 막(다이어프램)을 떨게 한다. 이 떨림은 공기가 아니라 팽팽히 당겨진 실을 따라 전해지는데, 실이 제 길이 방향으로 늘었다 줄었다 하며 나아가는 종파(세로 진동)로 옮겨 간다. 공기 중으로 사방에 흩어질 소리가 실 한 가닥에 갇혀 곧장 반대편으로 달려가는 셈이다.

실은 잡아당길 수는 있어도 밀 수는 없어서, 미리 팽팽히 당겨 두어야(장력이 있어야) 다이어프램의 떨림을 온전히 실어 나른다. 그래서 느슨하면 소리가 거의 넘어가지 않고, 팽팽할수록 더 크고 또렷하게 전달된다 — 다만 너무 세게 당기면 더 나아지지 않거나 실이 끊긴다. 또 소리는 거리가 멀수록, 실이 진동 에너지를 열로 까먹는 내부 마찰이 클수록 약해진다(감쇠). 그래서 가볍고 잘 늘어나지 않는(영률이 크고 내부 감쇠가 작은) 실일수록 소리를 더 멀리 전달하며, 컵 바닥과 실의 이음매가 잘 맞을(임피던스 정합)수록 에너지가 덜 샌다.

소리를 공기가 아니라 단단한 매질로 곧장 실어 나르는 이 원리는 생활 곳곳에 쓰인다. 골전도 이어폰·보청기는 공기 대신 머리뼈의 진동으로 소리를 달팽이관에 직접 전한다. 현악기의 브리지와 울림판은 현의 진동을 나무 몸통으로 실어 소리를 키운다. 청진기는 몸속에서 난 소리를 관과 얇은 막을 통해 귀로 곧장 모아 준다. 전성관과 기계식 음향 전화는 전기가 없던 시절 배와 건물 안에서 목소리를 관·실로 실어 통신했다.

실험 설계

준비물

종이컵·플라스틱컵 여러 개, 재질이 다른 여러 실(면실·나일론·낚싯줄·가는 구리선 등), 실을 팽팽히 걸 지지대(또는 두 사람), 장력을 재는 용수철저울, 자·줄자, 일정한 음원(스마트폰 스피커나 작은 부저), 소리 세기(dB) 측정용 스마트폰과 소음 측정 앱.

변인

독립변인은 실의 장력·길이(거리)·재질이며 한 번에 하나만 바꾼다. 종속변인은 수신 쪽에서 측정한 전달된 소리의 세기(음압 수준, dB)와 통화 품질(명료도)이다. 통제변인은 컵의 종류와 크기, 음원의 소리 세기와 진동수, 측정용 마이크(스마트폰)의 위치, 실을 거는 방식이다.

실험 순서

  1. 두 컵을 실로 잇고 지지대에 팽팽히 건다. 송신 컵 앞에 일정한 음원을, 수신 컵 안에 소음 측정 앱을 켠 스마트폰을 두고, 기준 조건에서 전달된 소리 세기(dB)를 먼저 읽는다.

  2. 재질과 길이는 그대로 두고, 용수철저울로 장력을 재며 단계적으로 더 팽팽히 당겨 각 장력에서 전달된 dB를 여러 번 기록한다. 아주 느슨한 상태도 함께 재어 견준다.

  3. 이번엔 장력과 재질을 고정하고 실의 길이(두 컵 사이 거리)를 단계적으로 늘려 가며 전달된 소리 세기가 어떻게 줄어드는지 측정한다.

  4. 장력과 길이를 같게 맞춘 뒤 실의 재질만 면실·나일론·낚싯줄·구리선으로 바꿔 가며 전달된 dB를 재어, 재질별 전달 효율을 비교한다.

  5. 각 조건에서 미리 정해 둔 단어·숫자를 일정한 크기로 말해 주고, 듣는 사람이 맞힌 개수로 통화 품질(명료도)을 함께 평가한다.

안전 안내

⚠ 안전

실을 세게 당기면 끊어지며 튕겨 눈·얼굴을 칠 수 있으니, 당기는 방향의 연장선에 눈을 두지 말고 필요하면 보안경을 쓴다. 낚싯줄·가는 구리선은 팽팽하면 손가락을 벨 수 있어 끝을 막대에 감아 잡거나 장갑을 낀다. 소리를 키워도 컵을 귀에 바짝 대고 오래 듣지 않는다(청력 보호). 실을 거는 지지대가 넘어지지 않게 단단히 고정한다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

실을 더 팽팽히 당기면 반대편에서 듣는 소리는 계속 커질까, 아니면 어느 지점부터는 별로 달라지지 않을까? 그리고 같은 장력·길이라면 면실·낚싯줄·구리선 가운데 어느 쪽이 말을 더 또렷하게 전달할까?

자료 정리

장력별·거리별·재질별로 측정한 전달 음량(dB)을 표로 모아, 가로축을 장력(또는 거리), 세로축을 전달된 소리 세기(dB)로 그래프를 그린다. 재질별 비교는 막대그래프로 나타내고, 통화 품질은 맞힌 비율(명료도)로 함께 정리한다. 느슨한(또는 실을 걷어 낸) 조건의 값을 공기로 새어 온 소리의 기준선으로 삼아, 각 조건에서 이 기준선을 얼마나 웃도는지로 견준다. (수치는 실제 측정으로 채운다 — 여기서는 축과 개형만 제시한다.)

결과의 의미

팽팽하게 당길수록 전달되는 소리는 대체로 커지고 또렷해지며, 느슨해지면 급격히 약해질 것으로 예상된다. 다만 장력을 아주 크게 하면 세기가 더는 늘지 않고 완만해지거나 실이 끊길 수 있고, 거리가 멀수록·감쇠가 큰 실일수록 소리는 약해질 것으로 보인다. 이는 ‘잘 들린다’는 느낌을 장력·거리·재질이라는 측정 가능한 변인으로 바꿔, 고체 실의 종파가 소리를 실어 나르는 효율을 눈금으로 읽어내는 과정이다. 다만 학교 장비에서는 공기로 새어 들리는 소리, 지지대로 빠져나가는 진동, 컵과 실의 이음매 상태가 결과를 흔들 수 있다. 그래서 같은 조건을 여러 번 재고, 실을 손으로 잡아 진동을 막았을 때와 견주어 ‘실이 나른 소리’만 갈라내는 일이 이 탐구의 핵심이다.

더 탐구하기

  1. 컵의 재질·크기(종이컵·플라스틱컵·금속캔)를 바꿔, 다이어프램이 달라지면 전달 음량과 음색이 어떻게 변하는지 비교해 보자.

  2. 여러 진동수의 순음을 하나씩 넣어, 높은 소리와 낮은 소리 가운데 어느 쪽이 더 잘 전달되는지(진동수 의존성) 알아보자.

  3. 실 중간에 무게를 매달거나 실을 살짝 잡아, 진동이 얼마나 줄어드는지(감쇠) 살펴보자.

  4. 실을 갈래로 나눠 세 사람이 통화해 보며, 갈림목에서 소리 세기가 어떻게 나뉘는지 확인해 보자.

연결 주제

소리를 다루지만 기제는 뚜렷이 다르다. 실전화기는 팽팽한 고체 실을 따라가는 종파로 소리를 ‘전달’하는 반면, 같은 해 IYPT 2004 문제 5 ‘소라 껍데기’와 IYPT 2020 문제 3 ‘소리 튜브’는 공기 기둥·공동의 공명으로 특정 진동수를 ‘키우는’ 쪽이다(매질이 고체 실 vs 공기, 초점이 전달 vs 공명으로 다르다). 그렇지만 스마트폰 마이크와 소음·스펙트럼 앱으로 소리 세기(dB)와 진동수를 재는 측정법은 공유한다.

참고문헌

[학생] 위키백과 ‘Tin can telephone(실전화기)’(컵 바닥이 다이어프램이 되어 소리를 실의 종파로 바꿔 전달한다는 기본 원리와 로버트 훅의 1667년 음향 전화 기원) / TeachEngineering ‘String Telephones’ 활동(재질과 장력을 바꿔 전달을 비교하는 만들기 실험) / 소음 측정 앱 “phyphox”·“Sound Meter”, 영상 검색어 “string telephone longitudinal wave” / [심화] J. D. Sagers, A. R. McNeese, P. S. Wilson, “The tin-can telephone: An example of sound propagation and communication for Project Listen Up,” Proceedings of Meetings on Acoustics 9, 025002, 2010, doi:10.1121/1.3551678 (실전화기를 소리 전달·통신의 예로 다룬 미국음향학회 발표) · H. M. Simpson, P. J. Wolfe, “Young’s modulus and internal damping in a vibrating rod,” American Journal of Physics 43(6), 506–508, 1975, doi:10.1119/1.9779 (막대의 영률·내부 감쇠 측정 — 실 재질이 왜 중요한지의 근거) · S.-Y. Mak, Y.-K. Ng, K.-W. Wu, “Measurement of the speed of sound in a metal rod,” Physics Education 35(6), 439–445, 2000, doi:10.1088/0031-9120/35/6/311 (고체 막대 속 종파의 전파 속력 측정법). ※ 소리가 다이어프램에서 실의 종파로 바뀌어 전달되고 실이 팽팽해야 한다는 정성적 원리는 잘 확립되어 있으나, 전달된 소리의 세기와 통화 품질이 장력·거리·재질·컵 크기에 정확히 어떤 함수로 의존하는지, 그 모두를 맞춘 ‘최적의 시스템’이 무엇인지는 이 탐구의 개방 지점이다.

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