<#14. 전쟁의 물리학>

한줄평 - 전공수업때보다도 재밌었던 물리 시간! 과연 과거의 나는 열심히 안해서 흥미가 없었을까? 흥미가 없어서 열심히 안했을까?

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ㅇ서문

 

ㅡ물리학은 원자폭탄뿐만 아니라 전쟁의 여러 면에 기여해왔다고는 해도 물리학이 오로지 파괴와 비극을 부르는 공격적인 무기만 만들어온 것은 아니다.

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ㅇ본문

 

ㅡ 물리학은 천문학, 역학, 광학, 기하학 같은 수학 분야로부터 생겨났다. 소크라테스, 플라톤, 아리스토텔레스, 에라토스테네스, 히파르쿠스 등의 철학자들의 연구와 사색의 결과물이 최초의 물리학이었다.

 

ㅡ그리스인들이 제작한 고대의 첨단 무기들 대부분은 물리학에서 '비틀림'이라 불리는 중요한 개념에 바탕을 둔 것이고, 이 비틀림이란 힘에 의해 물체가 비틀리는 힘, '토크'라 한다. Ex) 투석기, 노포 등

 

ㅡ 활은 에너지를 저장하는 기계이다. 근육의 힘은 이 기계에 낮은 속도로 에너지를 실어주고, 이 기계는 그 에너지를 높은 속도로 방출한다

 

ㅡ서기 476년에 로마가 멸망한 뒤 세계는 암흑시대로 진입했다. 이 시기에는 과학적으로 거의 발전이 없었고, 역사적인 기록이나 문헌도 다른 시기에 비해 남은 양이 많지 않다.

암흑시대는 476년부터 약 1500년대까지를 일컫는다. 이 기간 동안 몽골, 훈, 바이킹이 유럽을 휩쓸었다.

 

ㅡ1200년대 중국에서의 화약의 발견은 대포의 발달로 이어진다.

폭발하는 가스의 팽창을 제어하기 위해서는 포신을 길게 해야한다는 것을 깨닫는다.

반동으로 바퀴달린 대포가 뒤로 밀려가게 두었다가 다시 앞으로 끌고와 다음 포탄을 장전하며 반동문제를 해결했고, 기동성 또한 해결해주었다.

탄도학이라 불리는 학문이 생기고 전쟁에서 점점 더 중요한 역할을 하게된다.

 

ㅡ강철갑옷을 뚫으려면 뭔가 새로운것이 필요했다. 포탄이 적합하다고 여겨졌지만 대포는 너무 크고 다루기 어려웠다. 대포보다 작은것이 필요했고 그래서 나타난 것이 핸드캐넌이다.

 

ㅡ17세기 뉴턴은 운동법칙 3가지에 대하여 책으로 출판한다.

 

ㅡ1741년 영국의 로빈스는 군대에서 사용하는 머스켓의 명중률이 얼마나 평현없는지에 깜짝 놀라며 원인을 찾기 시작한다. 가장 결정적인 변화는 탄환이 총신에서 탈출할때 마지막으로 부딪치는 순간 일어났다. 탄환이 날아가는 동안 이 스핀이 그대로 유지되는 것이었다. 로빈스는 이 스핀이 탄환의 궤적 전체에서 공기와 상호작용을 하며, 이 상호작용이 궤적에 영향을 준다고 생각했으며, 로빈스는 탄도 진자를 고안해낸다. 이를 통해 발사체의 속도를 구할 수 있게 된다.

 

또한 머스켓의 사정거리를 늘리기 위해 공기의 저항을 최소화하는데 가장 적합한 형태, 탄환을 끝이 뾰족한 장립형으로 만들되, 동시에 길이 방향 축을 중심으로 스핀을 갖게 만든다.

다시 말해 총신에 '라이플' 즉 강선을 만드는 것이었다. 드디어 로빈스는 후장식(Breach-Loaded) 총의 설계도를 그렸다. 브리치를 열어 화약과 탄환을 총신에 끼워넣는 방식이었다. 이후 플린트록(flintlock)이라 불린 신형 라이플은 휠록과 달리 스파크를 일으키기 위해 부싯돌을 사용한다는 차이가 있었다

 

ㅡ발전기와 전기모터는 전쟁 무기 대량하기 시작했고, 물리학에 갑작스럽게 관심이 쏟아진 것은 전기와 자기 분야의 혁명적인 발전으로부터 얻은 결실이었다. 여러 국가에서 곧 물리학과 다른 과학이 전비나 신무기 개발에 얼마나 중요한 요소인지 깨닫기 시작했다.

 

ㅡ미국의 남북전쟁은 진정한 의미에서 최초의 현대전이라 간주한다. 크게 발전된 무기와 전투방법이 이 전쟁에서 여러가지로 사용됐기 때문이다. Ex) 전신, 발전기, 정찰용 열기구, 함선, 어뢰, 잠수함, 개선된 망원경 등

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ㅡ탄도학(ballistics)에는 기본적으로 4가지 분야가 있다.

강내 탄도학(interior), 전이 탄도학(transitional), 강외(exterior) 탄도학, 최종(terminal) 탄도학.

 

1. 강내 탄도학

 

-총미와 총열 사이에서 일어나는 현상

-발사췌의 궤적이 상당부분 총구 속도에 따라 달라진다. 총구 속도란 탄환이 총열의 끝을 떠나는 순간 지니는 속력을 말한다.

-여기서 2가지 중요한 사건이 일어난다. 하나는 화약폭발, 나머지 하나는 폭발 결과로 발생하는 기체 팽창이다.

-화약이 폭발하면 그로 인해 생성된 기체가 탄 뒤에 갇히게 된다. 이 기체는 온도가 매우 높아서 탄이 총열을 따라 가속되도록 공기의 압력을 높인다. (샤를의 법칙)

기온을 갑자기 높이면 부피가 증가하기 때문에 탄에도 더 높은 압력을 전달한다.

-탄이 폭발력으로 더 오래 가속될수록 나아가는 속도도 빠르다. (뉴턴의 제 2법칙)

가속도는 탄이 총열 안에 있는 한 계속된다. 따라서 총열이 길수록 총열을 떠나는 순간 발사체의 속도는 더 커지고 이를 총구 속도라고 한다.

-총열 길이 외에도 총구 속도를 결정짓는 또 다른 요소는 주어진 폭발 양에 대한 탄의 질량 또는 무게다. 사수에게 큰 위험이 되지 않는 한도안에서 탄이 지니는 최대속도가 중요하다.

-총구속도가 높아도 문제가 생긴다. 모든 작용에는 크기가 같지만 방향만 반대인 반작용이 존재한다. 총을 쏘아본 사람이라면 누구나 반동을 경험한다. (뉴턴의 제 3법칙)

-총을 어깨에 딱 붙이라는 말을 듣곤 한다. 그래야만 총 질량뿐만 아니라 사수의 몸무게까지 포함되기 때문에 반동이 줄어든다.

 

2. 전이 탄도학과 충격 음파

 

-탄이 총열을 떠난 뒤부터 탄을 밀어주던 공기압이 주변 공기압과 같아지는 순간까지 짧은 시간을 연구

-밀어주던 기체는 주변 기압의 수백배에 달하나 탄환이 총구를 완전히 벗어나면 이 기체도 자유롭게 팽창하면서 사방으로 흩어진다. 이렇게 갑작스럽게 기체가 팽창하면 커다란 소음을 일으키는데, 총이 발사될때 우리 귀에 들리는 굉음이 바로 이것이다. 또한 폭발된 기체가 공기중 산소와 결합하면서 섬광을 동반하기도 한다.

-어떤 물체가 소리를 만들어내면 그 물체를 중심으로 음파가 바깥을 향해 음속으로 퍼져나간다는 사실은 잘 알려져 있다. 이 음파를 자세히 보면 '압축파'와 '희박파'가 연속된다.

압축파는 공기 분자가 어떤 지역에서 함께 몰리기 때문에 발생하고, 희박파는 음파가 다른 지역으로 퍼져나가기 때문에 발생한다.

탄환이 음속의 벽을 깨뜨리거나 통과하면 압축파는 그 자체가 이동할수 있는 것보다 빠르게 형성되고 따라서 서로 계속 겹쳐진다. 이 압축파가 서로 합쳐지면 정상적인 음파처럼 압축파에서 희박파로 자연스럽게 바뀌지 못한다. 그 결과 초음속 충격파는 채찍을 내리쳤을때 나는 소리와 비슷하다.

 

3. 강외 탄도학

 

-탄이 총열에서 벗어난 뒤 목표물에 맞을때까지를 다룬다.

-수평운동은 총구 속도의 수평성분으로 지표면과 평행을 이루고 일정한 속도를 갖는다.

수직성분은 중력으로 인한 자유낙하로 2가지 운동이 개입한다.

-저항력은 공기의 저항에 의해 생기고, 공기 저항은 탄환의 속도, 형태, 탄환이 뚫고 지나가는 공기의 밀도와 온도 등 몇가지 요소에 따라 달라진다.

-탄환의 비행에 영향을 주는 요소들은 탄도계수, 총구속도, 조준각도, 그리고 공기저항, 바람, 탄환의 스핀때문에 나타나는 좌우요동(yaw)이 있다.

-섭동(precession) 역시 탄환처럼 고속으로 회전하는 물체에서 일어나는 현상이다. 섭동은 탄환의 무게중심 주변이 회전하는 것이다. 자이로스코프에서 흔히 볼수 있다.

-장거리 사격용 포탄에서만 나타나는 중요한 요소는 '코리올리 힘(Coriolis Force)'이라 불리는 것으로 지구의 자전 때문에 생기는 현상이다. 지상에 있는 관찰자의 입장에서 보면 포탄은 의도된 궤적으로부터 벗어나는 것처럼 보이게 된다.

-탄환을 안정시키는 주요 요인은 스핀이고, 이 스핀은 총열 내부의 강선에 의해 생겨난다. 강선은 대게 나선율(twist rate)에 따라 수치로 나타난다. 나선율은 탄환이 총열 내부에서 1회전을 완료하면서 이동하는 거리를 말한다. 나선거리가 짧을수록 회전율은 증가한다.

-대체로 탄환이 약실을 떠나는 순간 나선형 강선과 만나게 되고 스핀은 점차 증가한다. 이를 점증회전(gain twist)라 한다. 강선의 나선율은 점점 증가하고 이 때문에 발사체는 긴거리를 여행하는 동안 토크가 증가한다.

-총의 목은 탄환보다 구경이 약간 크기 때문에, 탄환이 발사되면서 뒤에서 발생하는 기체의 압력으로 탄환 직경이 총열 입구의 직경과 맞을때까지 팽창한다. (총열은 탄의 직경(지름)보다 약간 더 크다)

-나선율이 너무 작으면 탄두가 좌우요동을 일으킨다. 너무 높으면 스핀이 빨라져 원심력이 커지는데, 원심력에 맞서는 힘은 탄환이 산산히 부서지지 않고 제 형태를 유지하도록 잡아주는 응집력이다. 스핀이 빨라지면 원십력이 응집력보다 커져 탄환이 산산조각으로 날아가 버린다.

 

4. 최종 탄도학

 

-탄환이 목표물에 맞은 다음 일어나는 현상에 초점을 둔다.

-힘 또는 운동략 측면에서 보는 방법과 에너지 측면에서 보는 것이다.

-총에서 발사된 탄환은 화학에너지가 곧장 총열 내부에서 기체의 압력과 열 에너지로 바뀐다. 이 에너지는 다시 탄환의 운동에서 오는 운동에너지와 소리에너지로 바뀐다.

탄환이 목표물에 맞기 직전에 갖는 중요한 에너지는 '운동 에너지'다.

-탄환이 목표물에 맞은 경우, 목표물 안에서 정지하거나, 관통하거나, 목표물의 방탄이 잘되어 있거나가 된다.

-항공학과 관련해 가장 의미있는 발견 가운데 하나는 '유체가 흐르는 속도가 증가하면 유체의 압력은 감소한다'는 것이고 유체는 공기를 포함해 모든 유체에서 똑같이 해당되는 '베르누이의 법칙'이다.

-비행과 관련해 중요한 힘 4가지, 양력(lift), 무게(weight), 추력(thrust), 저항력(drag)

-비행기가 움직이기 시작하면 날개 위쪽 공기 압력이 감소한다. 날개를 타고 그 위로 흘러가는 공기는 날개 아랫면을 스치고 지나가는 공기보다 빨리 움직이기 때문이다. 비행기의 움직임이 빠르면 빠를수록 날개 위쪽 압력은 더 크게 감소하고, 날개 위와 아래의 기압차이 때문에 위로 향하는 양력이 발생한다.

-양력에 반대되는 힘이 비행기의 무게 때문에 생기는힘, 즉 중력이다.

-추력은 비행기를 앞으로 나아가게 하는 힘으로 프로펠러, 제트엔진 또는 로켓에 의해 생긴다.

-추력에 반대되는 힘이 공기 저항력이다. 저항력은 비행기의 운동방향과 정확히 반대 방향으로 작용한다.

저항 마찰력에는 세가지 유형이 있다. 표면 마찰, 형태마찰, 유도 마찰이다.

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ㅡ1914~1918 제 1차 세계대전이 터지자 기관총, 독가스, 어뢰, 비행기, 라이플, 수류탄, 화염방사기, 탱크, X선, 레이더 등이 등장했다. 또한 송신기와 수신기는 대폭 발전했고, 무전기는 전쟁 중 중요한 통신수단이 됐다.

 

ㅡ X선의 발견은 숱한 응급치료 시설과 야전 병원에서 없어서는 안될 X-RAY의 탄생으로 이어진다.

ㅡ 레이더(RADAR, Radio Detection and Ranging)는 '도플러 효과'로 알려진 현상과 함께 메아리를 이용한다.

도플러 효과는 운동방향과 같은 방향 음파는 압착되고 반대 방향 음파는 늘어지는 것을 말한다.

메아리가 돌아오는데 걸리는 시간과 도플러 효과를 결합하면 움직이는 물체의 거리, 속도를 동시에 계산할 수 있다.

(대부분의 음파는 계속 진행되지만 비행기에 맞으면 메아리가 생기는 것과 동시에 음파가 압축된다.)

레이더 신호는 대부분 금속과 탄소 섬유에 반사된다.

 

ㅡ무거운 강철배가 물 위에 뜨는 것도 '아르키메데스의 원리' 때문이다.

강철은 밀도가 높지만 배는 물보다 훨씬 가벼운 공기를 훨씬 많이 품고 있기 때문에 평균적인 밀도가 물보다 작아지는 것이다.

 

ㅡ잠수함은 외부에 설치된 밸러스트 탱크를 이용해 평균 밀도에 변화를 준다.

이 탱크를 공기로 가득채우면 잠수함의 평균 밀도는 물보다 낮아지기 때문에 잠수함이 물위로 뜨고, 작은 배기구로 공기를 배출하고 물을 가득채우면 잠수를 할 수 있다.

 

ㅡ1939~1945 제 2차 세계대전은 인류 역사상 가장 맹렬하고 파괴적인 전쟁이었다.

레이더 기술 발전, 로켓, 제트 엔진 항공기, 암호와 컴퓨터, 근접퓨즈와 유도 포탄장치 등이 있다.

 

ㅡ원자폭탄은 우라늄이나 플루토늄처럼 무겁고 불안정한 원자핵이 가볍고 안정적인 원자핵 2개로 쉽게 쪼개지는 핵분열로 인한 연쇄반응에 의해 등장했다.

 

ㅡ수소폭탄은 태양과 같이 원자핵들이 서로 합쳐질때, 또는 융합할때 만들어지는 에너지를 이용한 핵 융합을 이용해 등장했다. 수소폭탄의 폭발 과정에서는 핵분열(1차)과 핵융합(2차)이 모두 포함된다. 폭탄이 폭발한 뒤 확산되는 방사능은 핵분열 폭발의 결과인 반면, 핵융합 폭발은 이런면에서는 깨끗하다.

 

ㅡ물리학 지식의 한계가 넓어질수록 무기도 점점 발전할 것이 틀림없다.