고유진동수(Natural Frequency)와 공진(Resonance)현상과 지진간의 관계(feat. 지진을 강제로 일으킬 수 있을까?)

BGM : Lesiem - Fundamentum
https://www.youtube.com/watch?v=QLVx0bOkyDs

니콜라 테슬라는 고유진동수와 공진 현상을 이용하여 지진을 일으킬 수 있는 장치를 만들 수 있다고 주장했다.

 
이번 포스팅은 고유진동수(Natural Frequency)와 공진(Resonance) 현상과 지진 간의 관계를 설명하는 포스팅을 작성하고자 한다. 해당 포스팅을 계획한 이유는 바로 니콜라 테슬라(Nicola Tesla)가 만들었다고 알려져 있는 '원격지구 역학진동(telegeo dynamic oscillation) 장치'가 정말 가능한 것인지 확인하기 위함이다.
 
PS. 니콜라 테슬라에 대하여 궁금하신 분들은 아래의 포스팅을 확인하기 바란다. 공학적인 내용이지만 수식 등 최대한 어려운 내용은 생략하여 설명해보겠다.
 
https://gbcbaby.com/53

자본주의로 세상 보기 Part 2. 자본이 기술을 선택한다 (feat. 니콜라 테슬라)

 
https://gbcbaby.com/164

니콜라 테슬라 살인광선(Death ray) 300kW급 개발 완료 전쟁의 판도가 바뀐다(feat. 한국형 아이언돔)

 

고유진동수와 공진현상은 무엇인가?

고유진동수란 자연적으로 진동하는 진동수를 말한다. 물체가 가지고 있는 고유의 값이며 단위 시간당 운동이 반복되는 횟수를 고유진동수라고 한다. 여기서 물체란 연속체(continuum)로 가정한다. 
 
연속체란 물체의 형질이 고체, 액체, 혹은 기체의 성질을 연속적으로 균질하게 가지고 있는 것을 의미한다. 방향이 달라도 성질이 균질해야 하며(등방성, isotropy) 특정 위치에 따라 성질이 달라서도 안된다. 실제 물체는 연속적이지 않다. 특정 위치에 따라 성질이 달라지거나 방향성이 달라지면 성질이 달라진다. 그러나 연속체는 이 물체를 무한대로 쪼개서 한 조각의 성질이 본래 전체의 성질과 동일하다고 가정한다.
 
[ 참고 사이트 : 위키피디아, 연속체 역학, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%B0%EC%86%8D%EC%B2%B4_%EC%97%AD%ED%95%99 ]

연속체 역학 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 
여기서 문제를 내겠다. 물체에 고유진동수에 맞는 진동수를 가지고 있는 외력을 계속 가하면 무슨 일이 벌어질까? 정답은 "파괴된다."이다. 물체의 고유진동수 = 외력의 진동수일 경우, 진폭이 큰 진동이 발생하게 되며 이론적으로 이 진폭은 무한대로 커지게 된다. 이를 우리는 공진 혹은 공명(Resonance) 현상이라고 한다.
 

미국 타코마 다리 붕괴 사고 : 공진의 위험성을 알리는 계기가 되었다.

공사가 완료된 후 단 4개월 만에 붕괴된 교량(다리)이 존재한다. 바로 미국 타코마 브릿지이다. 미국 워싱턴 주에 설치된 이 다리는 1940년 10월에 붕괴되어 버렸다. 그 원인은 바로 공진 현상 때문이다. 아래의 영상을 보자. 타코마 다리에 바람이 불어 외력을 가하게 된다. 그런데 그 외력의 진동과 타코마 브릿지의 고유진동수와 일치하게 되면서 점차 진폭이 커지게 된다. 그래서 다리가 눈에 띌 정도로 뒤틀리게 되면서 결국 파괴되고 말았다.
 
[ 참고 사이트 : 히히호호 유튜브 채널, 내셔널]타코마교 붕괴, https://www.youtube.com/watch?v=pkCgRMnQgwg ]

타코마 브릿지 붕괴사고는 공진현상에 대하여 세간에 알려진 사례이다.

 
 
[ 참고 사이트 : 중앙일보, 생활 속의 공진, 2007.08.03, https://www.joongang.co.kr/article/2814921#home ]

[기계이야기] 생활 속의 공진 | 중앙일보

 
우리가 공진 현상을 느낄 수 있는 때는 바로 자동차를 운전할 때이다. 특정 RPM에 도달하였을 때 갑자기 차가 더 심하게 떨리는 현상을 느꼈다면 당신은 공진 현상을 경험한 것이다. 차량을 설계할 때 공진 현상이 발생하는 시점을 조정하여 공진 현상으로 인하여 차량이 파손되는 것을 방지하는 것 역시 핵심 설계 기술 중 하나이다. 
 

니콜라 테슬라의 지진 장치는 가능한가?

니콜라 테슬라가 고안하였던 지진을 일으키는 장치는 과연 가능한 것인가? 니콜라 테슬라가 구현하고 설명한 예시는 아래와 같다.
 
니콜라 테슬라는 100톤의 중량을 견딜 수 있는 두께 5cm, 길이 61cm, 폭 30cm 철판 양 끝을 고정시켜 놓고 그 위에 전기 진동기를 올려놓고 진동기를 조정하였다. 철판과 전기 진동기의 고유진동수가 일치하자 철판이 떨기 시작하였으며 점차 그 변형량이 커지더니 결국 철판이 부러졌다.
 
이를 구현한 니콜라 테슬라는 다음과 같이 설명하였다. 
 
"이 원리(고유진동수와 공진현상)를 이용하여 적 잠수함의 위치를 알아낼 수 있고, 지하 광맥을 찾을 수도 있으며 심지어 지구를 쪼갤 수도 있다."
 
즉, 니콜라 테슬라는 지구 어느 위치든 해당 위치의 고유진동수를 알고 진동을 가할 수 있는 장치가 존재한다면 지진을 일으킬 수 있다고 주장한 것이다.
 
PS. 적 잠수함의 위치를 찾고 지하 광맥을 찾을 수 있다는 니콜라 테슬라의 주장이 현실로 만들어진 것이 바로 레이더(RADAR)이다 레이더는 Radio Detection and Ranging의 약자로 전파를 이용하여 목표물의 거리, 방향, 각도 및 속도를 측정하는 감지 장치이다. 발사한 전파가 목표물에 맞고 다시 반사되어 되돌아오는 전자파를 분석하는 방법이다. 
 
[ 참고 사이트 : 위키피디아, 레이더, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A0%88%EC%9D%B4%EB%8D%94 ]

레이더 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

과연 이 장치가 가능할까?

 

결론과 글을 마치며

2024년 새해 벽두부터 이웃나라 일본에 대규모 지진이 발생하였다. 1월 1일 오후 4시 10분 일본 이시카와현 노토반도 북쪽에 규모 7.6의 강진이 발생하여 해당 지역에 거주하는 일본인에게 매우 큰 피해를 입혔다. 지진으로 피해를 입은 많은 분들께 심심한 유감을 표하며 하루빨리 복구되기를 희망한다.
 
그러나 일본에서는 인터넷상에서 각종 음모론과 가짜뉴스가 확산되고 있다는 뉴스를 접하였다. 이번 지진의 피해가 크기 때문에 일본 일부 네티즌들은 인터넷을 통하여 80년 전에 존재했던 지진 무기가 작동한 것이 아니냐는 내용을 퍼트리고 있다.(실제로 태평양 전쟁 당시 미국은 일본에 전단지를 배포한 적이 있는데 일본에 지진을 일으킬 것이다라는 내용이 존재하였었다.)
 
[ 참고 사이트 : 100년전 간토 악몽 떠오른다…"지진 무기 사용" 日 또 음모론, 2024.01.03, https://www.joongang.co.kr/article/25219363#home ]

100년전 간토 악몽 떠오른다…"지진 무기 사용" 일본 또 음모론 | 중앙일보

 
우리는 고유진동수와 공진현상에 대하여 알아보았다. 그리고 니콜라 테슬라는 고유진동수와 공진현상을 이용하여 지진을 일으킬 수 있다고 주장하였다. 다만, 고유진동수는 물체의 성질(연속성, 균질성 등)과 진동을 흡수할 수 있는 감쇠(damping) 시스템 존재 여부, 자유도 등 다양한 변수로 인하여 결정된다. 따라서, 강제로 지진을 일으키려면 지구상의 특정 좌표에 특정 지질의 특성과 상태에 따라 고유진동수를 도출해 낼 수 있느냐가 관건이며 특정 위치에 고유진동수와 동일한 외력을 가진 진동을 부과해야 한다. 
 
따라서, 실제로 이를 구현하는 것은 굉장히 어려울 뿐만 아니라 이러한 장비를 아무도 없는 곳에서 숨겨서 진행하기도 어렵다는 것이 필자가 내린 결론이다.