인류에게 속도의 벽인 「음속」은, 원래 무엇?

인류에게 속도의 벽인 「음속」은, 원래 무엇?

우주에서 가장 빠른 것은 빛이고, 그 속도는 초속 30만 킬로미터에 달한다. 그러나 지구상에서는 초속 약 340m의 음속이 속도의 벽이 되고 있으며, 인류는 어떻게 비행기가 음속의 벽을 넘는지를 연구해 왔다. 그런 음속에 대해 과학 뉴스 사이트의 ZME Science가 설명하는 내용이다. 

우리가 소리로 지각하고 있는 것은 기본적으로 입자의 움직임이나 진동이며, 가장 일반적인 것은 대기 중의 입자에 의한 진동이다. 예를 들어 「소리내어 이야기한다」는 것은, 사람의 폐에서 밀려 나온 공기가 성대와 충돌해 진동하기 때문이다. 그리고 그 진동이 상대방의 귀에 있는 고막에 충돌해 고막으로 전달된 진동이 전기신호로 변환돼 뇌에서 처리됨으로써 '듣기'가 가능하다. 

물리학의 관점에서 소리는 해변으로 밀려오는 파도와 같은 행동을 하고 있다. 소리의 크기는 파도의 높이(진폭)에 따라 결정되며 음정은 파도가 해안에 부딪히는 빈도(주파수)에 따라 결정된다. 파도가 멀리 갈수록 파도가 가진 에너지가 적어지면서 결국 소리가 사라져 버린다. 지구 반대편의 소리를 들을 수 없는 것은 그 때문이다. 

또, 소리가 전달되는 방법은 파도를 전달하는 「매질」에 따라서 다르다. 다음의 영화를 보면, 고체·액체·기체로 소리가 전해지는 방법이 다른 것을 잘 알 수 있다. 

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 없으면 소리가 일체 전달되지 않는다. 가령 우주공간에서 뭔가를 외친다고 해도 아무도 들을 수 없다. 그러나 우주복을 겹쳐 진동이 전달되도록 하면 목소리를 전달할 수 있게 된다. 

또한 매질의 탄성에 따라 소리가 전달되는 방법이 달라진다. 탄성은 굽힘이나 비틀림에 대한 저항성(강성)과 어디까지 변형될 수 있는가의 한계(탄성 한계)에 의해 특징지어진다. 철과 고무는 모두 탄성이 있지만 철은 강성이 높고 고무는 탄성 한계가 높다는 특징이 있다. 물론 철과 고무로 소리가 전달되는 방법은 크게 다르다. 

즉, 소리가 전달되는 방법은 매질의 탄성과 밀도에 따라 크게 변화한다. 예를 들어 수소와 산소는 탄성이야말로 거의 같지만, 수소가 밀도가 낮아진다. 그러나 수소를 매질로 했을 때의 음속은 초속 약 1270미터이지만 산소를 매질로 할 경우는 초속 약 326미터다. 또 철은 훨씬 밀도가 높지만 탄성도 높기 때문에 철을 전달하는 소리의 속도는 초속 약 5120m에 이를 수도 있다는 것이다. 

우리 주위에 있는 대기의 경우 온도에 따라 변화는 하지만 소리는 기본적으로 초속 약 340미터로 전달된다. 비행기 속도를 추구할 때 이 초속 340m가 음속의 벽에 가로막힌다. 음속이 왜 속도 추구의 벽이 되는 한 가지 이유가 '소닉 붐의 발생'이다. 

음속을 넘어 나는 비행기가 충격파와 소닉붐을 발생시키는 모습은 다음 동영상에서 볼 수 있다. 

Supersonic Flight, Sonic Booms - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=P-Tw8e-cGeI

음속보다 더 빨리 이동하는 비행기는 눈앞의 공기를 압축해 버린다. 이윽고 이 압축된 공기는 모두 마하1(대기를 전달하는 소리의 속도)로 비행기 기수에서 날아가 버린다. 이 초압축된 공기에 의한 폭풍이 닿는 범위에 있는 사람에게는 소닉 붐이라고 하는 큰음향이 들린다. 다만 비행기는 음속을 넘어 날아가기 때문에 소닉 붐은 '비행기가 관측자 앞을 지나간 뒤'에만 들을 수 있다. 

인류가 음속을 넘을 수 있었던 것은 비교적 최근의 일로 1947년으로 기록되어 있다. 미국과 유럽에서는 육지에서의 음속비행이 원천적으로 금지되어 있지만 "초음속 비행은 여전히 비행기 기술추구에 중요한 이슈가 되고 있다"라고 ZME Science는 말하고 있다. 

What, really, is the speed of sound?
https://www.zmescience.com/science/what-is-speed-sound-2625234/

What, really, is the speed of sound?