754. 충격파

2015-01-22 17:52:45

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살아있는 과학 교과서

음속의 벽을 넘어서

어스름 새벽, 주인공의 스포츠카가 차가운 공기를 가르며 고속도로를 질주한다. 이 때에는 소리의 속도가 스포츠카보다 빠르기 때문에 소리가 차보다 앞서 나아간다. 그러나 전용 비행장에 도착한 주인공이 자가용 제트기를 타고 날아올랐다면 사정은 달라진다. 제트기의 속력이 매우 빨라지면 어느 순간 소리가 제트기를 따라잡을 수 없는 상태가 된다. 이 때 천둥소리처럼 매우 큰 소리가 생기는데, 이것을 '충격파'라고 한다.

제트기가 소리의 속도보다 빨라지면 제트기는 자신이 만든 음파를 뚫고 나간다. 다음 페이지의 왼쪽 그림은 제트기가 소리의 속도보다 느리게 날 때 만드는 음파의 모양이다. 그런데 소리의 속도보다 빨라지면 음파가 서로 겹치면서 오른쪽 그림 같은 원뿔 모양의 껍질이 생긴다. 이 원뿔 모양의 껍질이 제트기가 지나갈 때 만드는 충격파이다.

마하 원뿔(Mach cone)초음속 비행기에 의해 발생한 충격파는 소닉붐이라고 하는 폭발음을 생성시킨다. 이 충격파의 표면을 마하 원뿔이라고 한다.

초음속으로 날아가는 제트기에 의한 충격파는 수증기를 안개로 만들어 눈에 보이게 한다. 충격파에 의한 큰 압력 변화가 공기 중의 수증기를 압축하여 물방울을 만드는 것이다.

충격파는 제트기가 음속을 돌파할 때 발생한다. 반대로 음속보다 빠르게 운동하던 물체가 음속 이하로 속도를 낮출 때에도 충격파가 생겨난다. 비행기가 하늘 높이 날 때 발생한 충격파는 지면까지 오는 동안 에너지를 거의 잃게 되어 지상에서는 관찰할 수 없다. 그러나 비행기가 빠른 속도로 급강하하거나 방향을 급히 바꿀 때에는 큰 에너지가 지면까지 도달하여 폭발음과 함께 강한 압력을 내는 경우도 있다. 이런 현상을 '소닉붐(sonic boom)'1)이라고 하며, 가옥 등에 피해를 입히기도 한다.

블랙버드1965년 미국에서 만든 정찰용 비행기. 블랙버드의 최고 속도는 마하 3.3으로 시속 3,960㎞이다.

오랫동안 기술자들은 비행기가 소리의 속도보다 더 빠르게 나는 것은 불가능하다고 생각했다. 소리의 속도보다 빠르게 날면 충격파 때문에 비행기가 파괴될 것이라고 생각한 것이다. 처음으로 음속의 장벽을 돌파한 사람은 1947년 미국의 처크 예거(Chuck Yeager)이다. 그는 X-1이라는 로켓으로 된 탈것으로 소리의 속력에 도달하였다. 그 후 기술의 발달과 더불어 현재는 마하 3 이상의 속력도 낼 수 있는 블랙버드라는 제트기가 개발되어 있다.

*마하 보통 전투기의 성능을 표시할 때 최대 속도를 마하 2, 마하 2.5 등으로 표시하는데, 비행기의 속도가 소리의 속도와 같은 것이 마하 1이다. 마하 3이면 소리의 속도보다 3배 빨리 날 수 있음을 의미한다.

각주

1. 1 소닉붐 : 제트기가 비행중에 음속을 돌파하거나 음속에서 감속했을 때 또는 초음속 비행을 하고 있을 때 지상에서 들리는 폭발음으로 음속 폭음이라고도 한다.

   [네이버 지식백과] 음속의 벽을 넘어서 (살아있는 과학 교과서, 2011.6.20, 휴머니스트)