충격파

충격파는 파동을 일으키는 파원이 파동의 전파 속도보다 빨리 움직이는 경우 발생하는 파동으로, 압력, 밀도 등의 급격한 변화를 동반한다.

충격파의 예로 소닉붐(sonic boom)을 들 수 있다. 소닉붐은 비행체나 총알 등이 공기 중에서 음속보다도 빨리 움직일 때 생기는 충격파로 인해 '꽝'하는 폭발음이 들리는 현상이다. 비행체가 음속으로 움직일 때, 비행체가 만들어 내는 음파의 파면이 지속적으로 겹쳐지며 음파의 에너지가 축적되어 마치 폭발음과 같은 소리를 낸다.

그림 1과 2는 비행체의 속도가 음속과 같을 때와 음속보다 클 때 충격파가 만들어지는 모습을 보여준다. 비행체의 속도가 음속을 넘은 때는 비행체가 만드는 파면이 뒤로 남으며 비행체의 진행 방향과 일정한 각도를 이루는 면에서 시간 순으로 발생된 모든 진행파의 파면이 겹쳐져서 충격파가 형성되며 소닉붐이 일어난다. 이때 충격파의 파면이 이루는 면은 비행체를 꼭짓점으로 하는 원뿔 형태를 가지게 되는데, 이를 마하의 원뿔(Mach cone)이라고 한다. 또한 원뿔의 옆면이 이루는 각도는 비행체의 움직이는 속도 @@NAMATH_INLINE@@v@@NAMATH_INLINE@@와 소리의 속도 @@NAMATH_INLINE@@v_s@@NAMATH_INLINE@@의 비율, 즉 @@NAMATH_INLINE@@v/v_s@@NAMATH_INLINE@@에 의해 정해지는데, 이를 마하의 수(Mach number)라고 한다. 이때 충격파에 의해 공기가 급격히 압축되었다가 팽창하면서, 그림 3과 같이, 순간적으로 수증기가 응축하여 구름이 만들어진다.

그림 1. @@NAMATH_INLINE@@v=v_s@@NAMATH_INLINE@@일 때 충격파

그림 2. @@NAMATH_INLINE@@v > v_s@@NAMATH_INLINE@@일 때 충격파. 마하의 원뿔이라고 불린다.

그림 3. 전투기가 음속을 돌파하며 일으키는 충격파에 의해 마하의 원뿔 모양으로 수증기 응축이 일어난다. ()

최신예 전투기는 마하 3을 넘는 (마하의 수가 3을 넘는) 속력으로 비행할 수 있다. 그러므로 이런 비행기가 초음속으로 지나가면 폭발음이 들리고 유리창이 흔들리거나 심하면 깨지기도 한다. 이런 이유에서 낮은 고도에서 초음속으로 비행하는 것을 금지하고 있어서 음속을 넘어 발생하는 충격파는 에어쇼에서나 경험할 수 있다.