충격파

충격파 (Shock wave)는 매질 내에서 음속보다 빠르게 이동하는 교란으로, 압력, 밀도, 온도 등의 물리량이 급격하게 변화하는 불연속면을 포함하는 파동 현상이다. 일반적인 파동이 진폭이 작을 때 선형적인 특성을 보이는 반면, 충격파는 진폭이 매우 커서 비선형적인 특성을 나타낸다. 이러한 비선형성 때문에 충격파는 에너지를 집중시키고, 파면의 형태가 급격하게 변형될 수 있다.

발생 원인

충격파는 다양한 원인에 의해 발생할 수 있다. 대표적인 예로는 다음과 같은 것들이 있다.

• 초음속 비행: 항공기나 발사체가 음속을 초과하여 비행할 때, 공기가 압축되면서 충격파가 발생한다. 이를 소닉 붐(Sonic boom)이라고 한다.
• 폭발: 폭탄이나 폭발물의 폭발 시, 급격한 팽창으로 인해 주변 공기가 압축되어 충격파가 발생한다.
• 번개: 번개가 칠 때, 순간적으로 공기가 가열되면서 급격한 팽창이 일어나 충격파가 발생한다.
• 천체 충돌: 운석이나 소행성이 행성 표면에 충돌할 때, 엄청난 에너지 방출로 인해 충격파가 발생한다.
• 레이저 유도 플라스마: 고출력 레이저를 물질에 조사하여 순간적으로 플라스마를 생성하면, 플라스마 팽창에 의해 충격파가 발생한다.

특징

충격파는 다음과 같은 특징을 가진다.

• 불연속면: 충격파의 파면은 압력, 밀도, 온도 등의 물리량이 급격하게 변화하는 불연속면을 포함한다.
• 에너지 손실: 충격파가 매질을 통과하면서 에너지 손실이 발생한다. 이는 점성, 열전도, 복사 등의 효과에 의해 발생한다.
• 엔트로피 증가: 충격파를 통과하면서 엔트로피가 증가한다. 이는 충격파가 비가역적인 과정임을 의미한다.
• 마하 수: 충격파의 강도는 마하 수(Mach number)로 표현된다. 마하 수는 충격파의 속도를 매질 내 음속으로 나눈 값이다. 마하 수가 1보다 크면 초음속 충격파, 1보다 작으면 아음속 충격파라고 한다.

활용

충격파는 다양한 분야에서 활용된다.

• 의학: 신장 결석이나 담석을 파쇄하는 체외 충격파 쇄석술(Extracorporeal shock wave lithotripsy, ESWL)에 사용된다.
• 산업: 금속 표면 강화, 재료 가공, 오일 회수 등에 사용된다.
• 과학 연구: 플라스마 연구, 핵융합 연구, 고에너지 밀도 물리 연구 등에 사용된다.
• 군사: 폭탄, 미사일 등의 무기 개발에 사용된다.