음속의 벽을 넘어서

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.

블랙버드 1965년 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 폭발음
2. 으로 음속 폭음이라고도 한다.

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1524214&cid=47341&categoryId=47341

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