스피드건의 원리는? 도플러 효과(Doppler effect)

 스피드건은, 구기종목(축구, 야구)등등에 많이 쓰이고, 특히 자동차 과속감시에 아주 잘 쓰이는 기구입니다. 뭐... 굳이 설명안해도 아시겠지만, 이번에는 좀더 심층적으로 스피드건의 원리에 대해알아보도록 합시다.

스피드건에는 사실 과학이 숨어있습니다. 과학중에서 도플러 효과(Doppler effect)로 스피드건의 원리를 설명할 수 있습니다. 단순히 거리대비 이동시간으로 계산하는 단순한 스피드건 어플이 등장했습니다. 그러나 그 스마트폰에 나오는 스피드건 어플은 도플러 효과와 별개로 거리/시간 = 속력 이라는 원리 변위/시간 = 속도 라는 원리만 적용한것이며, 이번에 소개할 스피드건은 도플러 효과에 의한 속력측정입니다. 

그렇다면? 도플러효과는 무엇인가 살펴본다면, 결국 스피드건의 원리가 밝혀지는것입니다. 그렇다면, 바로 본론으로 들어가도록 하겠습니다.

 소리는 파동과 관련이 있는데, 속도,속력도 마찬가지로 파동과 관련이 깊습니다. 맨 처음 이 현상에대해 관심을 가지고, 발견한 학자가 있습니다. 바로 도플러라는 사람입니다.

초창기 J.C 도플러가 기차에 관심을 가지게되었습니다. 그런데, 기차가 다가오고 멀어질때의 소리가 다른데, 단순히 다르다고 느낀게 아니라, 파장이 짧아지고, 길어지는 소리의 미세한 작용까지 깨닫게되어 연구했는데요. 그맇게, 소리변화와 속도관계 진동과 파장 등등의 깊은 연관성을 알아내고, 현대과학기술에서 절대적으로 필요한 한 순수과학으로 발전했습니다. 이렇게 도플러는, 남들이 별다른 관심을 가지지 않았을때, 그는 이에 관심을 가지고 연구한 결과, 훌륭한 과학을 만들었죠... 이처럼 과학은 호기심으로 부터 발전하는것 같습니다.

지금으로써는 도플러효과(Doppler effect)가 스피드건, 우주과학까지도 폭 넓게 쓰이고있습니다.

(공기의 매질에 대한 변화가 없다고 가정하고, 표준상태에 1atm 으로 일반안정한 대기상태로 볼때>

 물질의 이동에 따른 파장을 그려놓은 사진입니다. 정지상태는 위와같이 일정한 파장을 나타낸다고 가정하고, 소리를 약간 내는 물체나 미세하게 움직이는 물체라면, 가정하지 않아도, 일정간격으로 파장이 퍼지게 된다.

이때, 물체가 좌측에서 우측으로 이동할때는, 후면에는 파장이 길어지고, 전면에는 파장이 짧아짐을 알 수 있다.즉, 이 현상을 정리하자면,

물체가 다가올때, 파장이 짧아지고 시간단위 진동수가 높아짐 → 높은소리 

물체가 멀어질때, 파장은 길어짐 시간단위 진동수는 낮아짐 → 낮은소리

이 원리가 적용될때, 비슷하지만, 스피드건 종류를 용도에 따라 다르게 만들 수 있는데, 이떄, 제트기나 좀더 빠른물체의 속력을 구할때는, 이 보다 더 첨단 스피드건으로 물체의 속력을 계산하게됩니다. 이때는, 도플러 효과말고도 GPS 위치추적도 이용되기도 한다.

 앞서말한, 지면고도기압에따라 그에맞는 표준상태라고 가정햇을떄, 

소닉붐 현상의 원인은 이러하다. 음속이 340~344m/s인데, 이동물체가 음속과 같을때 또는 그 이상일때, 소닉붐이 일어난다. 이때의 속력은 "마하급 속력"이라고 흔히 표현하는데, 마하급 속력이 되었을때, 음파와 물체의 이동과 겹치면서, 그림과 같이 제트기 주변에 충격파가 생긴다. 아주많은 파장에너지가 중첩되어 생기는 현상이다.

따라서 이때 소음이 엄청나다.

 이는 슈퍼 소닉붐이라고, 소닉붐보다도 물체가 더욱 빠르게 이동할때 일어난다. 물체가 지나간다음에 뒤를이어서 소리와 바람을 일으키며, 파장이 이동한다. 이때 움직일때 에너지가 워낙 크기때문에, 소닉붐 못지않게 소음이 발생한다. 다만 차이점은 물체가 먼저 보인뒤 한참 뒤에 소리와 바람이 일어난다, 물론 천둥번개처럼 속도의 차이가 그 만큼 크지는 않겠지만, 물론, 뒤따라오는 파장도 속도가 빠르다.(마하급임)

사실, 스피드건의 원리로 쓰이는 Doppler effect는 우주영역에서도 일부 쓰인다.