The sonic boom problem - Katerina Kaouri

소닉붐 현상: 카테리나 카오우리(Katerina Kaouri)

번역: 진영 오 검토: Kiwoo Song

Humans have been fascinated with speed for ages.

사람들은 오랜 세월동안 속도에 매혹되어 왔습니다.

The history of human progress is one of ever-increasing velocity,

인류 진보의 역사는 계속 빨라져 왔고

and one of the most important achievements in this historical race

이런 역사적 경주에서의 가장 중요한 성취 중 하나는,

was the breaking of the sound barrier.

소리보다 빠르게 이동할 수 있게 된 것입니다.

Not long after the first successful airplane flights,

최초로 비행기가 하늘을 나는 데 성공한 후,

pilots were eager to push their planes to go faster and faster.

파일럿들은 그들의 비행기가 더 빠르게 날기를 원했습니다.

But as they did so, increased turbulence

하지만 그들이 빠르게 날고자 할수록 난기류가 더 강해졌고

and large forces on the plane prevented them from accelerating further.

비행기에 작용하는 큰 힘들이 비행기가 더 빠르게 가속하는걸 막았습니다.

Some tried to circumvent the problem through risky dives,

몇몇은 위험한 주행을 통해서 문제를 해결하고자 했고,

often with tragic results.

종종 비극적인 결과를 불러왔습니다.

Finally, in 1947, design improvements,

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

such as a movable horizontal stabilizer, the all-moving tail,

비행기 디자인이 발전했습니다.

allowed an American military pilot named Chuck Yeager

이와 같은 발전은 결국 미국 공군 파일럿인 척 예이거가

to fly the Bell X-1 aircraft at 1127 km/h,

벨 엑스-1 비행기를 1127km/h로 비행해,

becoming the first person to break the sound barrier

최초로 음속의 장벽을 허물고

and travel faster than the speed of sound.

소리보다 빠르게 이동한 사람이 되었습니다.

The Bell X-1 was the first of many supersonic aircraft to follow,

벨 엑스-1은 훗날 등장하는 많은 초음속 비행기들의 시초가 되었고

with later designs reaching speeds over Mach 3.

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

Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave

초음속으로 이동하는 비행기는

with a thunder-like noise known as a sonic boom,

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

which can cause distress to people and animals below

이 현상은 아래에 있는 사람과 동물에게 고통을 주고

or even damage buildings.

심지어는 건물에게 피해를 입히기도 합니다.

For this reason,

이러한 이유에서,

전 세계의 과학자들은 소닉 붐을 연구해 왔습니다.

scientists around the world have been looking at sonic booms,

trying to predict their path in the atmosphere,

소닉 붐이 대기 중에서 어떤 경로로 움직일지,

where they will land, and how loud they will be.

지표 어디에 도달하며 얼마나 큰 소리일지 예측하고자 시도했습니다.

To better understand how scientists study sonic booms,

과학자들이 소닉 붐을 연구하는 방법을 이해하기 위해,

let's start with some basics of sound.

소리의 기본 원리에서부터 다 같이 시작해 봅시다.

Imagine throwing a small stone in a still pond.

고요한 연못에 작은 돌을 던진다고 상상해 봅시다.

What do you see?

무엇을 볼 수 있나요?

The stone causes waves to travel in the water

돌은 물 속에서 모든 방향에서 같은 속력을 가지는

at the same speed in every direction.

파동을 만들어내고

These circles that keep growing in radius are called wave fronts.

파면이라 불리는 물결의 원들은 계속해서 커집니다.

Similarly, even though we cannot see it,

이와 같이, 비록 우리가 볼 수 없다고 하더라도

a stationary sound source, like a home stereo,

가정용 오디오와 같이 소리를 내는 움직이지 않는 물체도

creates sound waves traveling outward.

바깥쪽으로 진행하는 소리의 파동을 만들어 냅니다.

The speed of the waves depends on factors

파동의 속도에 영향을 주는 요인에는

like the altitude and temperature of the air they move through.

파동이 진행하는 공기의 고도와 온도가 있습니다.

At sea level, sound travels at about 1225 km/h.

해수면의 높이에서, 소리는 약 1225km/h로 진행합니다.

But instead of circles on a two-dimensional surface,

하지만, 파면은 2차원 표면에서의 원이 아닌

the wave fronts are now concentric spheres,

구 모양을 가지게 되고

with the sound traveling along rays perpendicular to these waves.

소리는 이러한 파면들에 대해 수직으로 움직입니다.

Now imagine a moving sound source, such as a train whistle.

이제 기차의 경적처럼 움직이며 소리를 내는 물체를 상상해 봅시다.

As the source keeps moving in a certain direction,

기차가 특정 방향으로 계속해서 움직인다면

the successive waves in front of it will become bunched closer together.

기차 앞의 파면들은 서로 뭉쳐져 진동수가 증가합니다.

This greater wave frequency is the cause of the famous Doppler effect,

이렇게 파동의 진동수가 증가하는 현상은

where approaching objects sound higher pitched.

접근하는 물체의 진동수가 더 높게 들리는 도플러 효과의 원인입니다.

But as long as the source is moving slower than the sound waves themselves,

그러나 소리를 내는 물체가 음파보다 천천히 움직일 때까지는

they will remain nested within each other.

서로 중첩되어 남아있을 것입니다.

It's when an object goes supersonic, moving faster than the sound it makes,

비행기가 자신이 만드는 소리보다 빠르게, 즉 초음속으로 움직일 때

that the picture changes dramatically.

앞의 현상은 신기하게 변하게 됩니다.

As it overtakes sound waves it has emitted,

자기가 만들어낸 음파를 자기 자신이 앞지르면서

while generating new ones from its current position,

그 위치에서의 새로운 음파를 만들 때

the waves are forced together, forming a Mach cone.

파동들은 서로 힘을 받게 되고 마하 원뿔을 형성하게 됩니다.

No sound is heard as it approaches an observer

이때, 관측자는 아무런 소리도 들을 수 없습니다.

because the object is traveling faster than the sound it produces.

왜냐하면 비행기는 자신이 만드는 소리보다 빠르게 움직이기 때문입니다.

Only after the object has passed will the observer hear the sonic boom.

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

Where the Mach cone meets the ground, it forms a hyperbola,

마하 원뿔은 지면에 쌍곡선 모양으로 도달하고,

leaving a trail known as the boom carpet as it travels forward.

앞으로 이동하면서 '붐 카펫'이라 불리는 피해흔적을 남깁니다.

This makes it possible to determine the area affected by a sonic boom.

이것은 소닉 붐에 의해 피해를 받은 지역을 구분할 수 있게 합니다.

소닉 붐이 얼마나 강할지를 계산하는 것은 어떨까요?

What about figuring out how strong a sonic boom will be?

This involves solving the famous Navier-Stokes equations

이것은 그 유명한 나비에-스토크스 방정식을 풀어야

to find the variation of pressure in the air

초음속으로 비행하는 비행기에 의해 발생하는

due to the supersonic aircraft flying through it.

기압의 변화를 알아낼 수 있습니다.

This results in the pressure signature known as the N-wave.

이때 공기의 특징은 N자처럼 보여 'N파'라고 불립니다.

What does this shape mean?

이 모양이 무엇을 의미할까요?

Well, the sonic boom occurs when there is a sudden change in pressure,

소닉 붐은 기압의 갑작스런 변화가 있을 때 발생하고

and the N-wave involves two booms:

N파는 두 번의 '쿵'소리를 동반합니다.

one for the initial pressure rise at the aircraft's nose,

하나는 처음에 비행기의 앞부분에서 기압 상승이 일어날 때 일어나고

and another for when the tail passes,

다른 하나는 비행기의 꼬리가 지나가면서

and the pressure suddenly returns to normal.

기압이 평소 상태로 갑자기 낮아질 때 일어납니다.

This causes a double boom,

이는 두 번의 '쿵'소리를 유발하지만

but it is usually heard as a single boom by human ears.

보통 사람의 귀에는 한 번의 '쿵'소리로 들립니다.

In practice, computer models using these principles

실제로는, 이 원리들을 통해

can often predict the location and intensity of sonic booms

컴퓨터가 비행 경로와 대기 상태를 감안해서

for given atmospheric conditions and flight trajectories,

소닉 붐의 위치와 강도를 예측할 수 있고

and there is ongoing research to mitigate their effects.

그 피해를 줄이기 위한 연구가 진행되고 있습니다.

In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited.

그동안, 땅 위에서의 초음속 비행은 금지되어 있습니다.

So, are sonic booms a recent creation?

그렇다면, 소닉 붐이 최근에서야 나타난 것일까요?

Not exactly.

그렇지는 않습니다.

While we try to find ways to silence them,

우리가 소닉 붐을 없애고자 노력할 때,

a few other animals have been using sonic booms to their advantage.

몇몇 다른 동물들은 소닉 붐을 이롭게 활용하고 있었습니다.

The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail

디플로도쿠스(공룡의 일종)는 꼬리를 1200km/h이상으로

faster than sound, at over 1200 km/h, possibly to deter predators.

소리보다 빠르게 움직여 포식자들로부터 보호했습니다.

Some types of shrimp can also create a similar shock wave underwater,

몇몇 종류의 새우는 물 속에서 멀리 떨어져 있는 먹잇감을

stunning or even killing pray at a distance

기절시키거나 죽이기 위해 그들의 거대한 집게로 조금 움직여

with just a snap of their oversized claw.

비슷한 충격파를 만들어낼 수 있습니다.

So while we humans have made great progress

그래서 우리 인류는 속도에 대한 끊임없는 추구에서

in our relentless pursuit of speed,

위대한 진보를 이루어내지만

it turns out that nature was there first.

자연이 이를 먼저 이루어 냈었다는 것이 드러나곤 합니다.