의외로 많은 사람들이 폭탄이 물속에서 터지면 더 안전하다고 생각하는 경우를 보게 됩니다. 특히 물밑에서 터지는 경우 물위에 있는 사람은 상대적으로 안전하다고 생각하는 경우가 있죠. 그런데 과연 이런 생각이 맞는지 궁금합니다. 이와 관련된 여러 자료들을 조사해본 결과 물속에서 터지는 폭탄은 우리의 생각보다 위험할 수 있다는 결론을 얻게 되었는데 그 이유로 버블제트 효과와 공명효과를 들 수 있습니다.

주제에 대한 이해를 돕기 위해 먼저 폭탄이 물속에서 터질때 발생하는 상황에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 수중에서 폭탄이 폭발시 발생하는 충격파가 발생하며 이는 수중에서 전파가 되게 됩니다. 이어서 대량의 연소가스가 발생하게 되는데 이 연소가스는 물속에서 버블을 생성하게 되죠. 이렇게 생성된 버블은 수축과 팽창을 반복하게 되는데 바로 이것이 버블제트 효과와 연관이 있습니다.

버블제트 효과: gyfcat

생성된 버블이 팽창을 할 때 폭발 장소 주위의 물을 순간적으로 확 밀어내게 되며 수축을 할 때는 팽창압력이 낮아져 주위의 물을 순간적으로 빨아들이게 됩니다. 그리고 이런 현상이 여러번 반복되게 되면서 이내 큰 충격이 발생하게 되는데 이것을 버블제트 효과라고 합니다. 그리고 이 효과는 물위까지 전달이 되죠. 즉, 물위에 있는 사람도 이 때문에 충격을 받게 되는 것입니다.

그러나 더 큰 문제는 이게 끝이 아니라는 것입니다. 이 충격파를 더 위험하게 만드는 것이 있는데 바로 공명(공진)효과가 그것입니다. 모든 물체는 고유의 '진동'을 가지고 있으며 공명은 특정 진동수에서 특정 물체가 큰 진폭으로 진동하는 현상을 말합니다. 그리고 이때의 특정 진동수를 공명을 야기하는 진동수 즉, 공명 진동수라고 하죠. 여기서 공명은 학교 교과과정에서 배우는 '소리굽쇠' 실험을 통해 확인이 가능하죠.

소리굽쇠 실험, @gifer

같은 진동수를 갖는 두 개의 소리굽쇠를 책상 위에 올려놓고 두 개중 하나만 울리면 소리굽쇠는 본연의 고유 진동수로 진동하기 시작하는데, 이 진동이 공기를 통해 전파되면서 같은 진동수를 같는 소리굽쇠를 진동시키며 소리가 나게 됩니다. 반면에 두 소리굽쇠의 진동수가 서로 다르면 상대편의 소리굽쇠는 거의 진동하지 않게 되고 소리도 같은 진동수의 소리굽쇠보다 덜 들리게 되죠.

이와 같이 서로 다른 물체의 고유 진동수가 같아지면 진폭이 커지고 더 큰 소리를 내게 되는데, 이는 물체가 자신의 고유한 진동수로 진동하는 파동에 의해 증폭되어 더 큰 진폭으로 진동하기 때문이죠. 즉 강제로 운동시킨 한 물체의 진동수가 다른 물체의 고유 진동수와 같아지면 이전보다 더 크게 흔들리게 되는데 이러한 현상이 바로 '공명'입니다.

그리고 바로 이것이 버블제트 효과를 더 위험하게 만드는 요인이 됩니다.

우리가 물위에 있다면 그리고 혹시 배를 타고 있다면 그 배에는 고유의 진동수가 있습니다. 폭탄으로 생긴 진동은 배의 고유진동수와 가스 버블의 주기가 비슷해지는 경우가 생길 수 있는데 바로 이때 공명(공진)현상(특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘때문에 진폭이 크게 증가하는 현상)이 발생하게 되어 우리가 받는 충격은 예상했던 충격보다 훨씬 더 커질 수 있게 되는 것이죠.

실제로 군사용 무기인 어뢰도 이런 이유때문에 적 수상함을 공격시에 침저폭발을 수행하게 됩니다. 침저폭발은 적 수상함의 중심부의 무게 중심점 아래에서 수심 5~7m의 심도에서 폭발하는 형식으로 이렇게 어뢰를 기폭시키면, 버블제트 와 공명효과로 인해 직격하는 것보다 위력이 더 커질수 있기 때문입니다.

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즉, 물속에서 폭탄이 터질때 물위에 있다고 하더라도 버블제트 효과에 공명효과가 더해진 충격을 받을 수 있으니 상당히 위험한 상황에 직면할 수 있게 되는 것입니다.

참고자료·논문자료·자문 등 도움

1. Parkistan Defense : What It Would Really Take To Sink a modern Aircraft Carrier
2. Understanding of resonance essential for solving vibration problems
3. 제진대의 공진주파수
4. 국립 경상대학교: 정상파와 공명
5. 물체의 고유진동수
6. Model Experimental Study of Damage Effects of Ship Structures under the Contact Jet Loads of Bubble in a Water Tank
7. The Effects of Underwater Explosions