과속감지 카메라도 물리의 산물

내비게이션에서 흘러나오는 안내 멘트의 내용이다. 지금 이 순간에도 도로 위에서는 운전자와 과속 감지 카메라와의 신경전이 전국 도처에서 펼쳐지고 있다. 물론 필자도 초행 도로에서 운전을 할 때에는 낯선 길에 대한 두려움보다는 어딘가에 도사리고 있을 감지 카메라의 눈초리가 더 무섭다.

자동차를 타고 고속도로나 자동차 전용 도로를 달리다 보면 단속 카메라를 쉽게 볼 수 있다. 이런 단속 카메라에는 두 가지 방식이 있는데 이동식과 고정식이 그것이다. 이동식은 경찰관들이 손에 들고 지나가는 차량을 향해 발사하는 총 모양으로 생긴 것이고(요즘에는 삼각대를 이용하거나 차량 위에 고정시키기도 하지만), 고정식은 길 위에 차선이 내려다보이게 설치되어 있다.

그러면 과속 감지 카메라는 빠르게 움직이는 자동차의 속도를 어떻게 측정할까. 학생들에게 물리를 가르치고 있는 교사의 입장에서 지적 호기심(?)이 발동하여 몇 자 적어보려 한다.

예상치 못한 곳에서 불쑥 나타나 악명을 떨치는 이동식 과속 단속 카메라는 파동의 ‘도플러 효과(Doppler Effect)’를 이용한 것이다.

야구장에서 투수가 던진 공의 속도를 측정하는 ‘스피드 건’의 작동 원리와 같다. 독자들도 앰뷸런스가 다가올수록 ‘앵∼앵’ 하는 사이렌 소리가 더 촘촘하고 높은 소리로 들리고, 멀어지면 느슨하고 낮은 소리로 변하는 것을 경험했을 것이다. 이것이 바로 도플러 효과다.

도플러 효과란 소리나 빛을 발생시키는 물체가 이동할 때 파동의 진동수가 다르게 관측되는 현상을 말한다. 이동식 과속 단속 카메라는 레이저나 초음파를 달리는 자동차에 쏜 뒤 반사돼 되돌아오는 파동의 변화량을 측정해 속도를 감지하는 것이다. 즉, 차량에 부딪쳐 되돌아온 파동은 도플러 효과 때문에 처음 발사된 것보다 파장이 짧아지며 주파수는 커진다. 이 주파수의 차이를 통해 주행속도를 측정하게 되는 것이다. 

고정식 무인 단속 카메라는 도로 밑에 숨겨놓은 자기장 감지 ‘센서’를 이용해 차량의 속도를 감지한다. 통상 카메라에서 30m 정도 떨어진 도로 밑에 첫 번째 센서를 설치하고, 그로부터 30m 정도 떨어진 곳에 두 번째 센서를 묻는다. 자동차가 그 사이를 지나는 시간을 측정해 ‘속도=변위/시간’ 공식에 따라 속도를 계산한다. 이 같은 속도 측정 방식은 영국의 물리학자 패러데이가 발견한 ‘유도 전류의 원리’를 이용한 것이다.

도로 밑 센서에는 ‘유도 코일’이 있는데, 시간에 따라 흐르는 방향이 바뀌는 전류인 교류가 약하게 흐르며 자기장이 만들어진다. 이 위를 금속 물체인 자동차가 지나가면 자기장에 변화가 생기게 된다. 이를 세밀하게 측정하면 차량의 속도를 계산해 낼 수 있다.

결국은 뻔 한 이야기가 되겠지만 안전 속도를 유지하면 이런 복잡해 보이는 물리적 현상을 애써 익히지 않아도 되고, 도로의 감시자를 오히려 과속 운전자들로부터 나를 보호해주는 수호자로 만들 수 있지 않을까? 난센스.

어떤 현상이든 물리적 원리가 적용되지 않은 것이 없다. 알고 나면 만사형통이지만 원리를 알지 못하면 항상 운명이겠거니 하면서 체념하고 살게 되는 것이 바로 물리라는 학문이다. 원리만 제대로 이해하면 만물의 근원을 알 수 있으며 세상을 알 수 있다. 물리란 공부 잘하는 사람들이나 하는 소수의 점유물이 아니다. 

앞으로 지면을 통해 우리의 생활 속으로 물리를 끌어들여 여러분들의 과학에 대한 호기심과 현상들에 대한 이해를 위해 작은 보탬이 되도록 노력할 생각이다. 독자 여러분들의 관심과 격려를 기대해 본다면 욕심일까?