우주에서 가장 빠른 것은 빛으로 그 속도는 초속 30만 킬로미터에 달합니다. 그러나 지구 상에서는 초속 약 340미터의 음속이 속도의 장벽이 되고 있어, 인류는 오랜 기간 비행기가 음속의 벽을 넘는 방법을 연구해 왔습니다. 그런 음속에 대해 과학 뉴스사이트 ZME Science가 해설하고 있습니다.
What, really, is the speed of sound?
https://www.zmescience.com/science/what-is-speed-sound-2625234/
What, really, is the speed of sound?
Unlike the speed of light, this one isn't constant.
www.zmescience.com
우리가 소리로 인식하고 있는 것은 기본적으로 입자의 움직임이나 진동이며, 가장 일반적인 것은 대기 중의 입자에 의한 진동입니다. 예를 들어 '소리내어 말하기'란 폐에서 밀려난 공기가 성대와 충돌하여 진동함으로써 가능하게 되어 있습니다. 그리고 그 진동이 상대의 귀의 고막에 충돌하고, 고막에 전달된 진동이 전기 신호로 변환되어 뇌에서 처리되는 것으로 '듣기'가 실현됩니다.
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물리학의 관점에서는, 소리는 해변으로 밀려드는 파도와 같은 행동을 하고 있습니다. 소리의 크기는 파도의 높이(진폭)에 따라, 음정은 파도가 해안에 충돌하는 빈도(주파수)에 의해 결정됩니다. 파도가 멀리 가면 갈수록 파도가 가지는 에너지는 줄어들고, 결국 소리가 사라집니다. 지구 반대편의 소리를 들을 수 없는 것은 그 때문입니다.
또한, 소리의 전달 방법은 파도를 전하는 '매체'에 따라 달라집니다. 다음 동영상을 보면 고체 · 액체 · 기체에서 소리의 전달 양상이 다르다는 것을 알 수 있습니다.
Speed propagation with animated dominoes - Why speed is fastest in solids - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=BYe4x3x35is
반대로 말하면, 소리를 전달하는 매질이 아무것도 없다면 소리가 전혀 전달되지 않습니다. 예를 들어 우주 공간에서 뭔가를 외쳤다 해도 아무도 들을 수 없습니다. 그러나 우주복을 맞대어 진동이 전달될 수 있도록 하면 목소리를 전달할 수 있게 됩니다.
또한, 매질의 탄성에 따라 소리의 전달 양상이 달라집니다. 탄성은 굽힘 및 비틀림에 대한 저항 (강성)과 어느 정도 변형시킬 수 있는지의 한계 (탄성 한계)를 특징으로 합니다. 철과 고무는 모두 탄성이 있지만, 철은 강성이 높고, 고무는 탄성 한계가 높다는 특징이 있습니다. 물론 철과 고무의 전달 양상은 크게 다릅니다.
즉, 소리의 전달 방법은 매질의 탄성과 밀도에서 크게 변화합니다. 예를 들어 수소와 산소는 탄성은 비슷하지만 수소 쪽이 밀도가 낮아집니다. 그러나 수소를 매질로 했을 때의 음속은 초속 약 1270미터이며, 산소를 매질로 한 경우는 초속 약 326미터입니다. 또한 철은 훨씬 밀도가 높지만 탄성도 높기 때문에 철을 통해 전해지는 소리의 속도는 초속 약 5120미터에 도달할 수 있습니다.
우리 주위에 있는 대기의 경우 온도에 따라 변화하지만, 소리는 기본적으로 초속 약 340미터로 전해집니다. 비행기의 속도를 추구할 때, 이 초속 340미터가 '음속의 장벽'이 되어 가로막습니다. 음속이 속도 추구의 장벽이 되는 이유 중 하나가 '소닉 붐의 발생'이 원인입니다.
음속을 넘어 비행하는 비행기가 충격파와 소닉 붐을 발생시키는 모습은 다음의 동영상에서 볼 수 있습니다.
Supersonic Flight, Sonic Booms - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=gWGLAAYdbbc
음속보다 빠르게 이동하는 비행기는 눈앞의 공기를 압축해 버립니다. 이윽고 이 압축된 공기는 마하1(대기에서 전해지는 소리의 속도)에서 비행기의 기수로부터 전부 폭발하듯 퍼져나갑니다. 이 매우 압축된 공기에 의한 폭발이 닿는 범위에 있는 사람은, 소닉 붐이라는 큰 소리가 들립니다. 그리고 비행기는 음속을 넘어 날고 있기 때문에 소닉 붐은 '비행기가 관찰자의 앞을 통과한 이후에 들리게 됩니다.
인류가 음속을 넘을 수 있었던 것은 비교적 최근의 일로, 1947년으로 기록되어 있습니다. 미국과 유럽에서는 육상에서의 음속 비행이 기본적으로 금지되어 있지만, 초음속 비행은 여전히 비행기 기술 추구의 중요한 항목이 되고 있습니다."라고 ZME Science는 말합니다.
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