소리가 빠른 이유

일상 속에서 우리는 의지와는 상관없이 정말 다양한 소리를 들으며 살아갑니다. 
출근길에 자동차의 마찰음은 물론이고 북적대는 사람들의 여러 대화 소리 심장을 두들기는 강력한 비트를 느낄 수 있는 노래부터 카페에서 들을 수 있는 잔잔한 음악까지 소리는 우리의 삶과 떼어낼 수 없는 아주 매력적이면서도 감사한 존재임에는 틀림없죠. 
그런데 여러분 궁금하지 않으실까요. 대체 소리는 어떻게 340m라고 하는 먼 거리를
1초 만에 도달할 수 있는 속도를 가지고 있는 걸까요. 
대체 소리가 발생한 곳으로부터 우리의 귀까지 전달되는 동안에 무언가가 소리를 전달해서 이렇게 빠른 속도를 가질 수 있게 된 걸까요. 
오늘은 바로
340m 세크라는 엄청나게 빠른 소리의 속도를 만들어준 눈에 보이지 않는 아주 작은 알갱이들의 이야기 기체 분자에 관한 이야기를 과학쿠키와 함께 들여다보도록 하겠습니다. 
기체 분자에 대해 알아보기에 앞서 먼저 소리가 전달되는 방법에 대해 간단하게 알아보도록 할까요.
소리란 물체가 무언가로부터 에너지를 공급받아 빠르게 또는 느리게 진동하면서 그 진동의 여파로 주변에 있는 공기 분자들이 튕겨져 나가는 현상을 말합니다. 
이렇게 튕겨져 나간 공기 분자가 근처에 있는 다른 공기 분자들을 또다시 튕겨내고 또 튕겨나간 공기 분자가 주변에 있는 공기 분자를 튕겨내는 일이 재빠르게 반복되면서
이러한 공기의 맹렬한 움직임이 무수히 많은 공기 분자들로 확산되어 우리의 귀로 들어오게 되면서 귓속 고막을 흔들게 되죠. 
이 진동이 청신경을 통해 대뇌로 전달되어 해석되는 것이 바로 청각이라고 불리는 인간이 소리를 감지해내는 시스템이랍니다. 
다시 말해 우리가 느끼는 소리라는 것은 공기 분자의 진동이 확산되면서 그 확산된 진동이 우리 귓속으로 들어와 고막을 진동시키고
진동된 고막이 전기적 신호를 발생시켜서 우리 내로 보내는 이러한 프로세스라는 것이죠. 
그래요 이제 여러분께서는 소리가 공기 분자의 진동이 확산되는 현상이라고 하는 것을 알았어요. 
그렇다면 대체 어떻게 이 확산 속도가 즉 소리의 속도가 340m를 1초만큼 갈 수 있을 정도로 매우 빠른 걸까요.
그 이유는 바로 우리 주변에 있는 공기 분자의 속도가 매우 빠르기 때문이에요. 
지금부터 대체 우리 주변에 있는 공기 분자의 속도가 얼마큼 빠른지를 함께 알아보도록 할게요 여기에 큐브 모양의 공간이 있습니다. 
이 공간 속에는 우리의 이해를 도와주기 위한 아주 특별한 기체 이상 기체가 숨어 있답니다.
만약 이 속에서 움직이고 있는 기체 분자 한 개를 볼 수 있다면 아마 사방 팔방 엄청나게 빠른 속도로 움직이는 모습으로 보이게 될 겁니다. 
문자 한 개가 마주보고 있는 면에 빠르게 충돌합니다. 
충돌 후 다시 이 분자가 충돌하러 돌아오기까지의 시간 동안 면은 기체 분자의 운동량의 변화만큼 충격을 받게 되고 이것을 통해 기체 분자 한 개가 한 면의 벽에 강한 힘을 구할 수 있죠 잠깐 잠깐 잠깐
갑자기 등장한 운동량이라고 하는 이 개념은 대체 무엇을 말하는 걸까요. 
여러분 혹시 모멘텀이라는 말을 들어보셨나요. 
요즘에는 정치 사회 문화 등 다양한 방면에서 쓰이고 있는 용어이기 때문에 어쩌면 한 번쯤은 들어보셨을 용어라고도 생각돼요 모멘텀의 뜻이 무엇인가요 그렇습니다. 
모멘텀이란
어떠한 행태를 지속적으로 하려고 하는 경향성을 의미하죠. 
이 모멘텀이 바로 사실은 물리학에서 사용하고 있는 어느 한 질량을 가진 물체가 어떠한 속도로 움직이고 있는가를 나타내는 물리학 운동량을 의미합니다. 
모멘텀 즉 운동량은 물체가 가지는 질량의 속도를 곱한 값으로 나타내는데요.
이는 다시 말해 특정한 질량을 가지고 있는 물체가 얼마큼 자신의 속도를 유지할 수 있는 능력을 가지고 있는가라는 의미를 가지고 있습니다. 
그리고 이 운동량이 다른 물체와 충돌하게 되어 속도가 바뀌게 된 순간 그러니까 충돌 후 나중에 가지게 된 운동량과 처음에 원래 가지고 있던 운동량의 차이만큼 물체는 충격을 받게 되고 이러한 충격의 양을 충격량이라고 부른답니다. 
이 운동량과 충격량에 관한 이야기는 할 얘기도 많고 고전역학 시리즈를 다룰 때 절대 빠지지 않는 내용이니 차후에 업로드될 예정인 전 역학 시리즈에서 다시 만나뵙도록 할게요
다시 기체 분자로 돌아가서 이야기를 계속 이어나가보도록 할까요. 
이렇게 해서 기체 분자가 면에 부딪히면서 운동량이 변하게 되고 운동량의 변화는 곧 충격량으로 나타나면서 이것을 통해 기체 분자 한 개가 한 면에 가하는 힘을 운동량과 충경형의 개념을 통해 구할 수 있는 것입니다. 
면은 가로 세로 위아래에 3면으로 마주보고 있으며 각각의 축에 대해서도 똑같은 방법으로 힘이 작용하고 있는 데다가
면 속에 존재하는 기체 분자들은 무수히 많기 때문에 이를 수학적인 방법을 통해 간단하게 정리하게 되면 분자가 움직이는 평균 속도 부위는 루트 3rt 오버m이라는 결과가 도출되게 됩니다. 
여기에서의 티는 온도 m은 어떤 특정한 기체의 묶음당 질량 다시 말해 분자량을 의미하며 기체의 온도와 분자량을 알 수만 있다면 그 기체의 평균 속도를 수학적으로 계산할 수 있다는 뜻입니다.
그렇게 해서 계산한 우리 주변의 다양한 기체 분자들의 몇몇 예를 꼽아서 산출해보자면 25도시 기준 산소가 약 483세 질소가 약 517미터퍼세크 수증기가 약 645 미터퍼세크 헬륨이 약 1370퍼 세크 수소가 약 1920 세크라니 실로 어마어마한 속도가 아닐 수 없네요.
여기에서 재민이는 사실은 어느 행성이 대기를 오랫동안 포획할 수 있으려면 그 행성이 가지고 있는 탈출 속도보다 기체의 평균 속도가 10분의 1보다는 작아야 하는데 지구의 탈출 속도는 1만1200m 세크이니까 10분의 1인 1120퍼 세크보다 빠른 헬륨과 수소는 지구 대기와 작별 인사를 할 수밖에 없었겠네요. 
눈으로 보이진 않지만 이렇게 엄청나게 빠르게 움직이고 있는 공기 분자들 덕분에 아름다운 소리를 이처럼 빠르게 들을 수 있다는 사실이 너무 놀랍지 않나요.
그런데 여러분 아직 여전히 궁금한 게 남아있어요. 
상온에서 기체 분자의 속도가 소리의 속도보다 100m 파세크나 200m 세크 이렇게 훨씬 압도적으로 빠른데 왜 소리는 그보다는 현저히 적은 속도를 가질 수밖에 없는 걸까요. 
그 이유는
기체 분자들이 직접 진동을 나르는 게 아니라 주변에 있는 기체 분자들과 지속적으로 충돌하면서 그 충돌에 의한 충격파가 전달되는 것이기 때문에 이 기체 분자가 가지고 있는 속도보다는 자연스럽게 퍼지는 에너지의 속도는 느릴 수밖에 없다는 특징을 가지고 있기 때문이에요.
그리고 여기서 또 하나 궁금한 게 있어요. 
셀 수 없을 정도로 많은 수의 기체가 우리 주변에서 그렇게 빠른 속도로 움직이고 있다면 왜 그 기체가 우리 피부나 우리의 몸을 때릴 때 우리는 그 압력을 느끼지 못하는 걸까요. 
왜 우리는 그렇게 빠른 기체가 우리를 때리고 있는데도 전혀 인지하고 있지 못한 걸까요. 
그 이유를 과천과학관에서 7월 24일부터 9월 9일까지 열리는 파인만의 물리 이야기 특별전에서
저와 함께 찾아보시는 게 어떨까요. 감사합니다. 
과학 비켰습니다. 과학키를 사랑해 주시고 시청해 주시는 구독자분들과 시청자분들 정말 감사드리며 이번 영상도 유익하고 재미있으셨다면 좋아요와 구독 그리고 알람 설정도 부탁드릴게요 이번 영상은 항상 제 채널의 알람 소리를 듣고 찾아와 주시는 여러분들과 특별히 투메이션을 통해 후원해 주신 이분들의 후원을 통해서 제작되었습니다.
또한 파인만의 물리이야기 특별전을 주관하시고 함께 준비할 수 있도록 도와주신 국립과천과학관에게도 진심으로 감사의 말씀을 드립니다. 
파이만의 물리학의 특별전은 20세기 물리학의 최고 명강사로 유명했던 과학자 리처드 파인만의 매력적인 강의를 모티브로 한 특별전입니다. 
세상의 모든 것은 원자로 이루어져 있으며
우리 주변에서 일어나고 있는 다양한 모습을 원자의 스케일로 이해하고자 기획된 이번 전시를 통해 원자 세계의 즐거움을 누릴 수 있는 특별한 시간이 되었으면 좋겠습니다. 
오늘도 시청해 주셔서 너무 감사드리고요 계속 찾아뵙도록 하겠습니다. 
과학을 쿠키처럼
흔히 현미경을 통해서 미생물을 봤을 때 그 미생물의 움직임이나 이런 것들이 경이롭고 놀랍고 신기한 이유는 우리가 평소에 보지 못하는 것을 보기 때문이에요. 
사진의 경우도 그렇죠 인물을 찍을 때 뒷배경이 다 날아가는 아웃포커싱 사진이 더 신비롭고 매력적인 이유는 평소에 우리 눈으로 그러한 광경을 볼 수 없기 때문이죠.
한 명의 과학자가 식물들의 수정 과정을 연구하기 위해서 꽃가루를 현미경으로 들여다봤어요. 
근데 놀라운 현상이 관찰이 됐어요. 이 꽃가루가 도무지 멈출 생각을 안 하는 거죠. 
자세히 들여다보려고 아무리 오랫동안 내버려 둬도 꽃가루는 계속해서 움직였어요. 
마치 살아있는 미생물처럼요
이게 왜 움직였을까요. 그 비밀이 77년이 지난 1905년에 한 사람의 과학자에 의해서 밝혀지게 되죠.