인류가 동경하는 '음속'이란?
인류가 동경하는 '음속'이란?
  • 최율리아나 기자
  • 승인 2020.08.31 12:05
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ⓒ 데일리포스트 이미지 출처=ZME Science

[데일리포스트=최율리아나 기자] 우주에서 가장 빠른 것은 빛으로 현재까지 알려진 바로는 빛의 속도는 초속 30만 킬로미터에 달한다. 그러나 지구상에서는 초속 약 340미터의 음속(Speed of sound)이 속도의 한계이며, 인류는 비행기가 음속의 벽을 뛰어 넘을 수 있는 방법을 오랜 기간 연구해 왔다. 

과학전문매체 ZME Science가 이러한 음속의 원리에 대해 설명했다. 

우리가 소리로 인식하는 것은 기본적으로 입자의 움직임 혹은 진동이며, 가장 일반적인 것은 대기 중의 입자에 의한 진동이다. 가령 사람의 말은 폐에서 내보낸 공기가 성대와 충돌해 진동함으로써 가능한 것이다. 또한 그 진동이 상대의 귀 고막과 충돌해, 고막에 전달된 진동이 전기신호로 변환되어 뇌에서 이를 처리하면 비로소 들을 수 있게 된다. 

ⓒ 데일리포스트 이미지 출처=Pixabay

물리학 관점에서는 소리는 해변으로 밀려드는 파도와 같은 패턴을 보인다고 볼 수 있다. 소리의 크기는 파도의 높이(진폭)에 따라, 음정은 파도가 해안에 충돌하는 빈도(주파수)에 의해 결정된다. 파도가 멀리 갈수록 파도의 에너지는 줄어들고 결국 소리는 사라진다. 지구 반대편의 소리를 들을 수 없는 것은 이 때문이다. 

소리의 전달 방법은 파도를 전하는 '매질(Medium:파동에 의한 요동을 이곳에서 저곳으로 전달해 주는 매개체)'에 따라 달라진다. 아래 동영상을 보면 고체·액체·기체의 소리 전달 양상이 다르다는 것을 알 수 있다.

반대로, 소리를 전달하는 매질이 전혀 없다면 소리는 전달될 수 없다. 우주 공간에서 큰 소리로 외쳐도 아무도 들을 수 없다.  

또한, 매질의 탄성에 의해서도 소리의 전달 방법은 달라진다. 탄성은 벤딩이나 비틀림에 대한 저항성 (stiffness)과 어디까지 변형시킬 수 있는지의 탄성 한계(elastic limit)를 특징으로 한다. 철과 고무는 모두 탄성이 있지만, 철은 저항성이 높고, 고무는 탄성 한계가 높다. 당연히 철과 고무의 전달 방법은 큰 차이를 보인다.  

ⓒ 데일리포스트 이미지 출처=unsplash

즉, 소리의 전달 방법은 매질의 탄성과 밀도로 크게 변화한다. 예를 들어 수소와 산소는 탄성은 비슷하지만 수소 쪽이 밀도가 낮다. 수소를 매질로 했을 때 음속은 초속 약 1270미터, 산소를 매질로 한 경우는 초속 약 326미터다. 또한 철이 밀도가 훨씬 높지만 탄성도 높기 때문에 철을 통해 전해지는 소리의 속도는 초속 약 5120미터에 달하기도 한다. 

우리 주변의 대기는 온도에 따라 변하지만 소리는 기본적으로 초속 약 340미터로 전해진다. 비행기 속도 역시 초속 340미터가 '음속의 장벽'으로 작용한다. 음속이 속도 개선의 장벽이 되는 원인 중 하나는 '소닉 붐(sonic boom)의 발생' 때문이다. 소닉 붐은 항공기 및 제트기 등이 초음속 비행에서 발생하는 폭발음(굉음)을 의미한다.   

음속을 넘어선 비행기가 충격파와 소닉 붐을 발생시키는 모습은 아래 동영상에서 확인할 수 있다. 

음속보다 빠르게 이동하는 비행기는 눈앞의 공기를 압축해 버린다. 압축된 공기는 마하1에서 비행기의 앞머리를 정점으로 하여 원뿔형으로 폭발하듯 확장해 나간다. 압축된 공기에 의한 폭발 범위에 있는 사람은 소닉 붐으로 불리는 굉음을 들을 수 있다. 

인류가 음속을 넘어선 것은 비교적 최근인 1947년이다. 미국과 유럽에서는 육상의 초음속 비행을 기본적으로 금지하고 있지만 초음속 비행은 여전히 항공 기술의 중요한 부분이라고 ZME Science는 전했다. 



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