물리학 원리로 분석하는 자동차사고

조회 수 1492 추천 수 2 2006.07.24 01:32:16


교통사고가 발생하면 가장 먼저 경찰에 연락한다. 경찰은 현장에서 교통사고 상황을 파악한 다음 이를 바탕으로 사고 당시 상황을 추론하게 된다.

운전자나 탑승자가 사고 상황을 정확히 기억하거나 진술한다면 문제가 없지만 많은 사고의 경우 증인이 없거나 자신에게 유리하게 거짓말을 할 수도 있다. 이러한 때 자동차 사고를 해석하기 위해 물리의 기초 이론을 이해하면 큰 도움이 된다.

국립과학수사연구소 박종철 교통공학과장이 발표한 ‘자동차사고 재구성’이라는 글을 통해 물리학 원리와 자동차 사고를 알아보자.



◇자동차 사고는 물리운동=자동차 사고에는 운동량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙, 반발계수, 마찰계수 등 우리가 물리시간에 배운 용어가 많이 등장한다.

먼저 차와 차가 정면충돌하는 경우 반발계수는 거의 0에 가깝다. 운동량 보존 법칙에 의해 자동차의 운동 에너지는 파손에너지로 변한다.

비슷한 무게의 자동차가 정면 충돌할 경우 이들은 충돌지점에서 거의 정지하기 때문에 자동차가 부서진 부위를 맞춰보면 충돌 각도를 측정할 수 있다. 두 자동차의 속도가 비슷했다면 파손 정도도 비슷하다.

그러나 큰 트럭과 작은 승용차가 충돌할 경우는 상황이 다르다. 작용, 반작용의 법칙에 의해 두 자동차는 같은 크기의 충격량을 받지만 트럭은 무겁기 때문에(질량이 크기 때문에) 가속도가 적다. 반면 승용차는 가벼워 가속도가 커진다. 결국 트럭은 충돌 후 진행 방향으로 조금 더 움직이고 승용차는 자신이 달리던 것과는 반대 방향으로 밀려가게 된다. 가속도가 큰 승용차의 탑승자가 더 많은 손상을 입게 되고 사망률도 높은 것이다.

자동차의 운동에너지는 자동차가 멈출 때 바퀴와 도로의 마찰에 의한 마찰 에너지로 변환된다. 이때 타이어의 고무조각이 노면에 부착되어 타이어 자국이 남게 된다.

교통 사고에 있어 마찰 계수의 값은 노면의 종류(아스팔트, 시멘트 등)와 습도, 온도, 타이어 마모상태, 탑승인원, 차종에 따라 달라진다. 타이어 자국 없이 정지하는 순간정지마찰 계수가 미끄러져 정지하는 미끄럼마찰 계수보다 높다.

◇차와 사람이 부딪칠 경우=차체에 감기는 경우, 앞으로 던져지는 경우, 펜더 넘기, 지붕 넘기, 공중돌기 등 5가지 유형이 있다.

가장 일반적인 유형은 차에 친 사람이 차체에 감기는 경우다. 보행자는 자동차 방향으로 넘어져 상체가 자동차 앞 부분에 접촉된다. 이후 자동차와 같은 속도로 진행하다 차가 멈추면서 앞으로 떨어지게 된다. 이러한 사고는 자동차가 시속 30~40㎞로 달릴 때 자주 발생한다. 어린이의 경우 키가 작아 승용차 범퍼와 충돌하기 때문에 상체가 차판에 올라가지는 않고 공중에 떴다가 땅에 닿는다.

자동차가 느린 속도로 움직이다 사람을 칠 경우 부딪힌 사람은 앞으로 던져지게 된다. 성인의 경우 충돌 속도가 시속 16㎞ 정도로 적어야 이 유형으로 떨어진다.

또 자동차가 시속 40㎞ 이상으로 달리면 펜더 넘기, 지붕 넘기, 공중돌기와 같은 유형이 나타난다. 펜더 넘기는 보행자가 자동차의 앞면 모서리 부위에 충돌돼 펜더쪽으로 감겨 떨어지는 현상이다. 자동차의 뒤쪽 옆 혹은 옆지점에 사람이 떨어진다. 지붕넘기는 자동차가 보행자를 친 후 제동이 되지 않았을 경우 잘 일어난다. 보행자는 앞 유리 혹은 지붕과 충돌하며 시속 56㎞로 충돌할 때 일어난다. 공중돌기 또한 자동차의 충돌속도(시속 56㎞)가 빠르던지 보행자의 충격 위치가 낮은 경우에 일어나지만 사고 중 가장 드문 경우다.

◇충돌 후 이동거리 재기=보행자가 충돌 후 앞으로 던져지는 경우를 예로 들어보자. 차와 부딪힌 보행자는 바로 앞으로 떨어져 도로에 미끄러지면서 정지하게 된다.

이를 운동궤적으로 그려보면 포물선 운동과 직선 운동이 연이어 일어난다. 보행자는 충돌점에서 포물선을 그리며 땅으로 내려온 후 다시 미끄러진다(그림 왼쪽아래). 이때 충돌점과 사람이 땅에 떨어진 지점, 사람이 미끄러진 거리를 현장에서 측정하면 충돌 시 자동차 속도를 알 수 있다. 그외 중력가속도, 사람과 노면의 마찰계수, 사람의 무게중심 높이 등 3가지 항목이 더 필요하다. 충돌속도는 중력가속도, 노면의 마찰계수와는 반비례하며 보행자의 무게 중심 높이와는 비례한다.

박종철 과장은 “사고를 제대로 파악하기 위해서는 현장 조사가 가장 중요하다”며 “이론치로 계산하면 아주 쉬워보이지만 실제 상황에서는 수많은 변수들이 생기므로 적절한 상황 판단을 해주어야 한다”고 밝혔다.
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