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유효충돌속도(effective impact speed) 란?

속도가 V1인 A차와 속도가 V2인 B차가 정면충돌 또는 정면추돌하면 양차량은 서로 운동량(중량*속도)을 교환하면서 찌그러짐(소성변형)을 동반하게 된다. 이렇게 충돌에 의해 맞물린 양차량은 도중에 속도가 같아지는 시점에서 일체가 되어 운동량이 큰 차량이 상대적으로 운동량이 작은 차량을 밀고 진행하게 된다. 여기에서 최초충돌(first contact)후 양차의 속도가 같아지는 시점을 공통속도(VC)시점이라고 하고 이 공통속도시점에서 양차량은 서로 운동량의 교환을 완료하기 때문에 차량의 변형도 일반적으로 이 시점에서 거의 종료된다. 이때 양차량의 충돌중의 속도변화를 살펴보면 A차의 경우 처음 V1의 속도에서 공통속도(VC)로 변화되고, B차의 경우에는 처음 V2의 속도에서 VC의 속도로 변화하게 되는데 이러한 충돌중의 속도변화량을 유효충돌속도(effective impact speed) 라고 한다. 정면충돌의 경우 +방향인 A차의 유효충돌속도는 V1-VC, -방향인 B차의 유효충돌속도는 VC+V2가 된다. 또한 동일방향으로 주행하던 A차가 B차를 추돌한 경우에 A차의 유효충돌속도는 V1-VC,  B차의 유효충돌속도는 VC-V2가 된다. 이러한 유효충돌속도의 개념은 교통사고의 충돌현상을 이해하는데 중요한 의미를 가지며 다음과 같은 물리적 성질을 가지고 있다.

1. 유효충돌속도가 클수록 차량의 변형량도 증가한다.

차량의 차체는 충격에 의해 쉽게 찌그러지는 소성변형특성을 가지기 때문에 일반적으로 유효충돌속도가 클수록 차량의 변형량도 증가한다. 동일한 유효충돌속도에서 찌그러짐의 정도는 차체의 강성에 의해 좌우되며 승용차의 경우 엔진이 설치된 차체앞부분보다는 트렁크가 설치된 차체뒷부분의 강성이 낮아 변형량도 일정부분까지는 깊게 나타나는 특징이 있다.

2. 유효충돌속도가 클수록 차내 승차자에게 가해지는 충격손상도 증가한다.

인체의 상해정도는 일반적으로 충격가속도(a=충돌중의 속도변화/충격지속시간)가 클수록, 충격지속시간이 길수록 심한 상처를 입게 되므로 충돌중의 속도변화량인 유효충돌속도가 클수록 충격가속도가 높아져 차내 승차자에게 가해지는 충격손상도 커지게 된다.

3. 유효충돌속도는 고정장벽충돌속도로 치환가능하다.

지금 속도가 50km/h인 A차가 질량무한대인 콘크리트 고정장벽을 충돌하였다고 가정하자. 이때 충돌전 A차의 운동에너지는 모두 차체의 변형일로 소모된 후 충돌지점에 정지한다. 따라서 충돌중의 속도변화량인 유효충돌속도는 50km/h가 된다. 이와 같은 충돌현상은 중량이 동일한 A차와 B차가 50km/h로 정면충돌하는 현상과 동일하다. 즉 중량과 속도가 동일한 A, B차가 정면충돌하게 되면 운동량의 교환을 완료한 후(공통속도=0km/h) 양차는 충돌지점에 그대로 정지하기 때문에 A,B차 모두의 유효충돌속도는 50km/h가 된다. 그러므로 고정장벽 충돌실험을 통하여 차체의 소성변형량을 구하고, 소성변형량을 통해 역으로 유효충돌속도를 추정할 수 있다.

4. 유효충돌속도가 클수록 반발계수가 낮아진다.

반발계수란 상대충돌속도에 대한 상대반발속도의 비를 말한다. 예를 들어 고무공과 같이 충돌속도 그대로 되튕겨나오는 경우 반발계수는 1이다. 이때에는 변형되더라도 다시 그대로 복원되기 때문에 소성변형(영구변형)은 일어나지 않는다. 한편 진흙덩어리를 고정벽에 던졌을 경우 진흙덩어리는 되튕겨나오지 않고 심하게 찌그러져 달라붙게 되는데 이때 반발계수는 0이 된다. 즉 반발계수가 작을수록 충돌시 차체의 소성변형특성도 증가하게 된다. 대체적으로 유효충돌속도가 5~10km/h인 경우에는 범퍼에서 충격을 흡수한 후 탄성복원되기 때문에 소성변형은 거의 일어나지 않지만 유효충돌속도가 높을수록 반발계수는 낮아지고 소형변형은 증가하게 된다. 특히 유효충돌속도가 약 20km/h인 격한 추돌사고에서는 반발계수가 거의 0에 근접하는 것으로 나타나고 있다.

5. 유효충돌속도는 상대충돌속도와 양차의 중량에 의해 결정된다.

유효충돌속도는 상대충돌속도(정면충돌에서는 양차 속도의 합, 추돌에서는 양차의 속도차)와 양차 중량의 역비(상대차 중량/양차중량합)의 곱으로 표시할 수 있으므로 상대충돌속도가 클수록, 양차중량의 역비가 클수록 커지게 된다.

유효충돌속도 = 상대충돌속도/(상대차 중량/양차중량합)

따라서 동일한 조건이라면 중량이 작은 차가 더 큰 유효충돌속도를 받게되고 소성변형량도 증가하게 된다.

6. 양차 유효충돌속도의 합은 양차 상대충돌속도와 같다.

역학적으로 충돌시 상대충돌속도는 양차 유효충돌속도의 합도 같다. 예를 들어 60km/h인 A차와 40km/h인 B차가 정면충돌(상대충돌속도=100km/h)하였고 이때 소성변형량을 감안한 A차의 유효충돌속도가 50km/h라면 B차의 유효충돌속도는 50km/h가 된다. 따라서 상대충돌속도가 클수록 양차의 소성변형량도 증가하고 차내 승차자에게도 큰 충격을 가하게 됨을 알수 있다.

7. 유효충돌속도와 에어백의 작동조건

일반적으로 정면충돌 에어백은 정면에서 좌우 30도 이내의 각도로, 유효충돌속도가 약 20∼30km/h 이상일 때 작동된다. 유효충돌속도는 충돌중의 속도변화(ΔV)이고 이 속도변화량은 충돌의 작용시간과 가속도(a)의 곱으로 나타낼 수 있으므로 에어백의 작동조건을 결정하기 위한 충격감지장치로는 일반적으로 가속도센서가 널리 적용되고 있다.