박쥐의 초음파와 레이더의 원리

박쥐의 초음파와 레이더의 원리

박쥐는 빛이 들어오지 않는 깜깜한 동굴 속에서 살고 있다. 아주 오랫동안 이러한 환경에서 살아왔기 때문에 박쥐의 눈은 퇴화되어 매우 작고, 겨우 빛이 있는지 없는지 만을 감지할 수 있을 뿐이다. 대신 박쥐는 청각이 매우 잘 발달되어 있다. 

박쥐는 눈이 보이지 않는데도 장애물에 부딪히지 않고 잘 날아다닌다. 

 어떻게 박쥐는 장애물을 분간할 수 있을까?

박쥐는 열대 지방에 많이 사는데 전 세계에 걸쳐 약 850종이 알려져 있다. 이는 설치류를 제외하고는 다른 어떤 포유 동물보다 많은 종류이다. 박쥐 중에는 다른 야행성 동물처럼 잘 발달된 눈을 갖고 있는 종류도 있지만 대부분은 시력보다는 청력을 사용한다. 박쥐는 음향 반사라고 불리는 탐지 체제를 통해 장애물을 피하고 먹이를 찾아낸다. 인간의 가청 범위를 훨씬 벗어나는 1초에 최고 190번 정도 발사되는 고주파가 박쥐의 머리 부분에서 나온다. 곤충이나 열매 또는 다른 목표물에 부딪힌 음파는 박쥐에게 되돌아오고, 박쥐의 두뇌는 그 반사파를 분석하여 목표물의 종류와 위치를 알아낸다 .

박쥐 초음파

음향 반사는 극히 짧은 시간에 제 기능을 발휘하는데, 박쥐가 곤충을 찾아내고 추적하여 잡아먹는 데까지는 불과 1/2초 밖에 걸리지 않는다고 한다.

돌고래도 박쥐와 마찬가지로 초음파를 통한 음향 반사로 거리를 짐작한다고 한다.

돌고래 초음파

이러한 원리를 이용해서 어떤 장치를 만들 수 있을까?

 주변에 이러한 원리를 이용한 장치가 이미 있는가?

영화 : 미드웨이 해전

레이더의 원리

영화 "미드웨이 해전"에서 미해군은 레이더를 이용해서 수백 킬로 떨어진 곳에 순항중인 일본 군함들을 포착하고 침몰시키는 장면이 나온다. 2차 세계대전 중에 연합군을 승리로 이끈 발명품의 하나가 바로 레이더이다. 레이더는 전파를 이용한 물체 탐지장치로 영국의 윗슨 와트 박사를 중심으로 한 레이더 연구진에 의해 발명된 것이다. 이 연구진은 동굴 속에 날아다니는 박쥐가 어둠 속에서 동굴 벽에 부딪치지 않고 날아다니는 것을 보고, 연구한 결과 박쥐는 날면서 계속 전파를 발사하고 되돌아오는 전파를 포착하여 방향과 위치를 본능적으로 탐지한다는 사실을 발견하였다. 

1943년의 어느 날, 영국 공군성에 소속된 과학 연구부의 윈페리스 연구부장실에 연구부원인 로가 들어왔다.

"윗슨 와트 박사로부터 온 보고서를 가지고 왔습니다."

"그래? 어서 이리 주게."

윈페리스 박사는 로가 들고 있던 큰 봉투를 가로채듯 받아들었다. 보고서의 내용을 한참 읽고 난 윈페리스 박사의 얼굴은 심각해졌다.

"지금까지의 연구만으로는 살인 광선의 발명이 불가능하단 말이지."

윈페리스 박사의 침울한 표정을 본 로는 와트 박사에게서 들은 이야기를 덧붙여 전했다.

"저, 박사님. 그런데 와트 박사께서는 전파로 비행기를 떨어뜨릴 수는 없지만 비행기가 어디로 날고 있는지는 쉽게 알아 낼 수가 있답니다."

"와트 박사가 그런 말을 했다는 말이오?"

"네. 분명히 그렇게 말씀하셨습니다. 전파를 이용하면 하늘을 나는 비행기의 위치를 알 수 있다고 하셨습니다." 

로는 어느새 흥분한 어조로 계속 말을 했다.

"박사님, 이것이 성공하면 영국 영공에 침입한 적기는 모두 발견되어 격추 당할 것입니다. 따라서 영국의 영공 방위는 거의 완전해질 것입니다."

영국 공군성은 이러한 박쥐의 원리에 의해서 설계된 레이더에 대한 실험을 비밀리에 착수했다. 노잔프턴이라는 마을의 도로 위에 포장을 친 평범한 트럭 한 대가 고장난 듯이 서 있었다. 바로 이 트럭의 포장 속에는 복잡한 장치를 한 기계들과 함께 와트 박사를 비롯한 연구자들, 그리고, 공군성 소속의 장교들이 긴장한 채 기계를 응시하고 있었다.

"바로 이 시간입니다."

이 말이 떨어짐과 동시에 브라운관의 가로로 곧게 뻗은 빛 위에 곡선이 뚜렷하게 나타나기 시작했다. 이 곡선은 조금씩 가운데 쪽으로 옮겨지고 있었는데 이것은 발사된 전파가 실험용 비행기에 닿아 다시 반사되어 기계로 돌아온 증거였다.

와트박사를 비롯한 레이더 연구팀은 연구를 거듭한 결과 1936년 1월에는 120킬로미터 떨어진먼 하늘에서 비행하는 비행기의 동작을 포착하는 레이더를 만들게 되었다.