이석원 기자
우주에서 가장 빠른 건 빛으로 날아가는 속도로 초속 30만km에 달한다. 하지만 지구상에서는 초속 340m 음속이 속도의 벽이 되어왔다. 인류는 비행기가 음속의 벽을 넘는 방법을 연구해왔다. 우리가 소리로 인식하는 건 기본적으론 입자 움직임이나 진동이며 가장 일반적인 건 대기 중 입자에 의한 진동이다. 예를 들어 소리를 내서 말하는 것이란 폐에서 밀려난 공기가 성대와 충돌해 진동해 가능하다. 또 진동이 상대방 귀에서 고막에 충돌해 고막에 전달된 진동이 전기신호로 변환, 뇌에서 처리되는 게 듣기다.
물리학 관점에선 소리가 해변으로 밀려드는 파도와 같은 행동은 하고 있다. 소리 크기는 파도 높이, 진폭에 따라 음정은 파도가 해안에 충돌하는 빈도, 주파수에 의해 결정된다. 파도가 멀리 갈수록 파도가 갖는 에너지는 줄고 결국 소리는 사라진다. 지구 반대편 소리를 들을 수 없는 건 이 때문이다.
소리 전달 방법은 파도를 전하는 매체에 따라 달라진다. 반대로 말하면 소리를 전달하는 매질이 아무 것도 없으면 소리가 전혀 전달되지 않는다. 예를 들어 우주 공간에선 뭔가를 외쳐도 아무도 들을 수 없다. 하지만 우주복을 겹쳐 진동이 전달될 수 있도록 하면 목소리를 말할 수 있게 된다.
또 매질 탄성에 따라 소리 전달 방법은 달라진다. 탄성 굽힘과 비틀림에 대한 저항과 어디까지 변형시킬 수 있는지 한계를 특징으로 한다. 철과 고무는 모두 탄성이 있지만 철은 강성이 높고 고무는 탄성 한계가 높다는 특징이 있다. 물론 철과 고무로 소리를 전달하는 방법은 크게 다르다.
다시 말해 소리 전달 방법은 매질 탄성과 밀도에서 크게 변화한다. 예를 들어 수소와 산소는 탄성이 비슷하지만 수소 쪽이 밀도가 낮아진다. 하지만 수소를 매질로 했을 때 음속은 초속 1,270m, 산소를 매질로 하면 초속 326m다. 또 철은 훨씬 밀도가 높지만 탄성도 높기 때문에 철로 전해지는 소리 속도는 초속 5,120m에 도달할 수 있다.
우리 주위에 있는 대기의 경우 온도에 따라 변화하지만 소리는 기본적으론 초속 340m에 전해진다. 비행기 속도를 찾을 때 이 초속 340m가 음속의 벽을 가로막고 있다. 음속이 속도 추구의 벽이 된 이유 중 하나는 소닉붐(Sonic Booms) 발생이다.
음속보다 빠르게 이동하는 비행기는 눈앞 공기를 압축해 버린다. 이어 압축된 공기는 모든 마하1에서 비행기 기수로 온다. 이 압축된 공기에 의한 폭발이 닿는 범위에 있는 사람에게는 소닉붐이라는 큰 소리가 들린다. 하지만 비행기는 음속으로 날기 때문에 소닉붐은 비행기가 관찰자 앞을 통과한 뒤에만 들린다.
인류가 음속을 넘을 수 있었던 건 비교적 최근인 1947년이다. 미국과 유럽에선 육상에서 음속 비행이 기본적으론 금지되어 있지만 초음속 비행은 여전히 비행기 기술 추구에 중요한 항목이 되고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.
정용환 기자
