[강좌] 충격파

파의 속도보다 파원이 더 빠르게 움직인다면 파원은 자기가 발생시킨 파를 "뒤에 남겨두고" 앞으로 나아가 버리게 되어 충격파라는 새로운 상황이 벌어지게 된다. 파원의 속력이 점점 커져서 파동의 속력과 같아지는 경우를 생각해 보자. 파원이 진행하는 방향에서 그 파를 관측하면 파장이 점점 줄어들어 급기야는 0의 값이 될 것이다. 이 경우는 파면이 무수히 겹쳐서 진폭이 거의 무한대가 되어 파의 세기가 걷잡을 수 없을 만큼 커질 것이다. 한편 파원의 속력이 파의 속력보다 큰 일정한 값을 가지게 되면 그 파원이 발생시킨 파면이 겹쳐지는 포락선이 직선이 된다. 많은 파면이 겹쳐진 이 파면을 충격파라 하는데 파동이 움직임에 따라 이 면도 진행을 하게 된다. 아래 그림을 보자. 파원이 vs의 속력으로 앞으로 나아감에 따라 충격파를 이루는 직선의 파면도 그 파면에 수직인 방향으로 v의 속력으로 진행하게 된다.



이러한 충격파는 음속을 돌파한 초음속 전투기가 상공을 지나갈 때 지상에서 폭발음으로 느낄 수 있다. 즉 위 그림에서 초음속 전투기가 내는 충격파는 전투기의 현 위치를 정점으로 하는 고깔 모양의 면을 형성할 것이다. 이 면은 전투기를 따라 계속 진행할 것이고, 이에 따라 지상에서는 이 면이 우리 귀를 스쳐지나가는 짧은 순간, 폭발음을 한번 들을 수 있다. 그림에서 cosθ= v/vs 이다. 한편 vs/v를 마하수(Mach number) 라 한다.

이러한 충격파는 빛의 경우도 관측된다. 진공속에서는 무슨 물체든 빛보다 빨리 움직일 수 없으니 이러한 일이 일어날 수 없다. 그러나 매질속에서는 빛의 속력이 느려서 간혹 빛을 내는 하전입자의 속력이 그 매질 속에서의 빛의 속도보다 빠를 수 있다. 이를 체런코프 복사(Cerenkov radiation)라 한다.

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출처: http://physica.gnu.ac.kr/physedu/wavelight/Doppler/Doppler.html