소닉붐 현상: 카테리나 카오우리(Katerina Kaouri)

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소리의 속도보다 빨리 나는 물체들(정말 빠른 비행기들)은 소닉붐이라는 천둥과 같은 소리를 동반하여 충격파를 형성합니다. 이러한 서사적인 소리들은 사람들과 동물들로 하여금 스트레스 받게하고 심지어 근처 건물들을 훼손할 수도 있습니다. 카테리나 카오우리는 과학자들이 어떻게 수학을 이용하여 소닉붐의 대기 속에서의 경로, 나타나는 지역, 소리의 크기를 예상하는지 자세히 설명합니다.

강연 발표: 카테리나 카오우리, 애니메이션 제작: 안톤 보가티

사람들은 오랜 세월동안
속도에 매혹되어 왔습니다.

인류 진보의 역사는 계속 빨라져 왔고

이런 역사적 경주에서의
가장 중요한 성취 중 하나는,

소리보다 빠르게 이동할 수
있게 된 것입니다.

최초로 비행기가 하늘을
나는 데 성공한 후,

파일럿들은 그들의 비행기가
더 빠르게 날기를 원했습니다.

하지만 그들이 빠르게 날고자
할수록 난기류가 더 강해졌고

비행기에 작용하는 큰 힘들이 비행기가
더 빠르게 가속하는걸 막았습니다.

몇몇은 위험한 주행을 통해서
문제를 해결하고자 했고,

종종 비극적인 결과를 불러왔습니다.

1947년에 움직이는 수평 안전판,
전체가 움직일 수 있는 꼬리와 같은

비행기 디자인이 발전했습니다.

이와 같은 발전은 결국 미국
공군 파일럿인 척 예이거가

벨 엑스-1 비행기를
1127km/h로 비행해,

최초로 음속의 장벽을 허물고

소리보다 빠르게 이동한
사람이 되었습니다.

벨 엑스-1은 훗날 등장하는 많은
초음속 비행기들의 시초가 되었고

이후의 비행기들은 마하3(음속의 3배)을
넘는 속도에까지 이르게 됩니다.

초음속으로 이동하는 비행기는

천둥과 같은 소리를 내는 '소닉 붐'
이라는 충격파를 만들어 냅니다.

이 현상은 아래에 있는
사람과 동물에게 고통을 주고

심지어는 건물에게
피해를 입히기도 합니다.

이러한 이유에서,

전 세계의 과학자들은
소닉 붐을 연구해 왔습니다.

소닉 붐이 대기 중에서
어떤 경로로 움직일지,

지표 어디에 도달하며 얼마나
큰 소리일지 예측하고자 시도했습니다.

과학자들이 소닉 붐을 연구하는
방법을 이해하기 위해,

소리의 기본 원리에서부터
다 같이 시작해 봅시다.

고요한 연못에 작은 돌을
던진다고 상상해 봅시다.

무엇을 볼 수 있나요?

돌은 물 속에서 모든
방향에서 같은 속력을 가지는

파동을 만들어내고

파면이라 불리는 물결의
원들은 계속해서 커집니다.

이와 같이, 비록 우리가 볼 수 없다고 하더라도

가정용 오디오와 같이 소리를
내는 움직이지 않는 물체도

바깥쪽으로 진행하는
소리의 파동을 만들어 냅니다.

파동의 속도에 영향을 주는 요인에는

파동이 진행하는 공기의
고도와 온도가 있습니다.

해수면의 높이에서, 소리는
약 1225km/h로 진행합니다.

하지만, 파면은 2차원
표면에서의 원이 아닌

구 모양을 가지게 되고

소리는 이러한 파면들에
대해 수직으로 움직입니다.

이제 기차의 경적처럼 움직이며
소리를 내는 물체를 상상해 봅시다.

기차가 특정 방향으로
계속해서 움직인다면

기차 앞의 파면들은 서로
뭉쳐져 진동수가 증가합니다.

이렇게 파동의 진동수가 증가하는 현상은

접근하는 물체의 진동수가 더 높게
들리는 도플러 효과의 원인입니다.

그러나 소리를 내는 물체가
음파보다 천천히 움직일 때까지는

서로 중첩되어 남아있을 것입니다.

비행기가 자신이 만드는 소리보다
빠르게, 즉 초음속으로 움직일 때

앞의 현상은 신기하게 변하게 됩니다.

자기가 만들어낸 음파를
자기 자신이 앞지르면서

그 위치에서의 새로운 음파를 만들 때

파동들은 서로 힘을 받게 되고
마하 원뿔을 형성하게 됩니다.

이때, 관측자는 아무런 소리도
들을 수 없습니다.

왜냐하면 비행기는 자신이 만드는
소리보다 빠르게 움직이기 때문입니다.

관측자는 오직 비행기가 지나간 뒤
들리는 소닉 붐만을 들을 수 있습니다.

마하 원뿔은 지면에
쌍곡선 모양으로 도달하고,

앞으로 이동하면서 '붐 카펫'이라
불리는 피해흔적을 남깁니다.

이것은 소닉 붐에 의해 피해를
받은 지역을 구분할 수 있게 합니다.

소닉 붐이 얼마나 강할지를
계산하는 것은 어떨까요?

이것은 그 유명한 나비에-스토크스
방정식을 풀어야

초음속으로 비행하는
비행기에 의해 발생하는

기압의 변화를 알아낼 수 있습니다.

이때 공기의 특징은 N자처럼
보여 'N파'라고 불립니다.

이 모양이 무엇을 의미할까요?

소닉 붐은 기압의 갑작스런
변화가 있을 때 발생하고

N파는 두 번의 '쿵'소리를 동반합니다.

하나는 처음에 비행기의 앞부분에서
기압 상승이 일어날 때 일어나고

다른 하나는 비행기의 꼬리가 지나가면서

기압이 평소 상태로 갑자기
낮아질 때 일어납니다.

이는 두 번의 '쿵'소리를 유발하지만

보통 사람의 귀에는 한 번의
'쿵'소리로 들립니다.

실제로는, 이 원리들을 통해

컴퓨터가 비행 경로와
대기 상태를 감안해서

소닉 붐의 위치와 강도를
예측할 수 있고

그 피해를 줄이기 위한
연구가 진행되고 있습니다.

그동안, 땅 위에서의 초음속
비행은 금지되어 있습니다.

그렇다면, 소닉 붐이
최근에서야 나타난 것일까요?

그렇지는 않습니다.

우리가 소닉 붐을 없애고자 노력할 때,

몇몇 다른 동물들은 소닉 붐을
이롭게 활용하고 있었습니다.

디플로도쿠스(공룡의 일종)는
꼬리를 1200km/h이상으로

소리보다 빠르게 움직여
포식자들로부터 보호했습니다.

몇몇 종류의 새우는 물 속에서
멀리 떨어져 있는 먹잇감을

기절시키거나 죽이기 위해
그들의 거대한 집게로 조금 움직여

비슷한 충격파를 만들어낼 수 있습니다.

그래서 우리 인류는 속도에 대한
끊임없는 추구에서

위대한 진보를 이루어내지만

자연이 이를 먼저 이루어
냈었다는 것이 드러나곤 합니다.