차내 탑승자가 견딜수 있는 관성력의 한계 > 기고및연구자료

자동차 탑승자가 견딜 수 있는 관성력의 한계

버스나 지하철을 타고 가다가 차가 급하게 출발하면 나도 모르게 몸이 뒤로 제켜지고 반대로 차가 급정지하면 몸이 앞으로 쏠리는 것을 한 번쯤은 경험했을 것이다. 이러한 현상은 차에 탄 탑승자가 상대적으로 관성운동하기 때문이다. 관성이란 정지하고 있는 물체는 정지 상태를 계속 유지하려고 하고, 운동하는 물체는 운동 상태를 계속 지속하려고 하는 성질을 말한다.(관성의 법칙;뉴턴의 운동 제1법칙) 즉, 차가 정지하고 있다가 갑자기 출발하면 차내의 탑승자는 정지 상태를 계속 유지하려고 하므로 상대적으로 몸이 뒤로 이동하고, 차가 주행하다가 급정지하게 되면 차내의 탑승자는 주행상태를 계속 유지하려고 하기 때문에 상대적으로 몸이 앞으로 쏠리게 되는 것이다.   

그러나 급제동이나 급출발이 아닌 완만한 제동이나 서서히 출발하는 경우에는 몸이 심하게 흔들리는 관성운동이 일어나지 않는다. 서서히 출발하거나 정지하는 경우에는 차와 탑승자가 상대 운동하더라도 가속도 또는 감속도(또는 -가속도)의 크기가 작아 탑승자가 충분히 차의 속도변화에 적응하면서 근력을 이용하여 몸의 운동 상태를 제어할 수 있기 때문이다.

그러면, 자동차 탑승자가 손과 발을 사용하여 적절히 제어할 수 있는 관성력의 크기는 어느 정도일까. 탑승자가 견딜 수 있는 관성력의 한계는 자기 체중의 약 2~3배 정도이며, 대략적으로 양팔로 50kg, 양다리로 100kg, 양손과 양다리 동시로는 150~200kg인 것으로 알려져 있다. 관성력이 한계치를 초과하면 탑승자는 스스로 제어하지 못하고 몸이 균형을 상실하면서 튕겨나가게 되며, 이로 인해 차 내부의 어딘가에 부딪쳐 심각한 상해를 유발시킬 수 있다.

관성력이 특히 문제시 되는 순간은 충돌이다. 충돌은 자동차의 접촉부위가 찌그러지면서 약 0.1초 이내의 짧은 충돌시간 동안에 차가 급격히 감속되거나 정지되는 현상을 동반시킨다. 즉 속도의 변화가 급격히 이루어짐으로써 탑승자는 관성에 의해 충돌속도 그대로 전방으로 나아가게 된다. 정면 충돌에서 관성에 의해 튕겨나간 운전자는 핸들이나 계기패널, 앞유리 등에 부딪쳐 상처 입을 수 있고, 조수석 탑승자는 곧바로 계기패널과 앞유리쪽으로 튕겨날아가 부딪치고, 심한 경우 앞유리를 뚫고 차 외로 방출될 수 있다.

여기서, 충돌속도에 따라 탑승자에게 가해지는 관성력의 크기를 대략적으로 살펴보자. 관성력은 뉴턴의 운동 제2법칙에 의하여, 물체의 질량과 가속도의 곱으로 나타낼 수 있으므로, 급격한 속도변화가 일어나는 자동차의 충돌시간을 약 0.1초, 탑승자의 무게를 60kg로 가정할 때 충돌속도에 따른 관성력의 변화는 다음과 같다.

◉ 관성력  F=ma   ∵ m=w/g ,   a=dv/dt    

 m : 질량         a : 가속도(감속도)     w : 무게  
 dv : 속도변화    dt: 충돌시간           g : 중력가속도

◉ 5km/h   --> 86 kg
◉ 10km/h --> 171 kg
◉ 20km/h --> 343 kg
◉ 30km/h --> 508 kg
◉ 40km/h --> 679 kg
◉ 50km/h --> 851 kg
◉ 60km/h --> 1022 kg
◉ 70km/h --> 1187 kg
◉ 80km/h --> 1359 kg
◉ 90km/h --> 1530 kg
◉ 100km/h -->1701 kg


위 산출에 의하면, 10km/h로 충돌시 탑승자에게 가해지는 관성력은 약 171kg이다. 상황에 따라서 충분한 주의와 노력을 기울인다면 탑승자가 손발을 이용하여 가까스로 제어할 수도 있고, 무방비 상태에서는 전방으로 가속되어 차 내부와 부딪칠 수 있는 상황이다. 만약 10km/h를 초과하는 충돌조건에서는 탑승자가 최대한의 안간힘을 쓴다하더라도 물리적으로 신체가 전방으로 튕겨나가는 것을 억제하기 어려운 상황이다. 이렇게 탑승자는 비교적 저속 충돌에서도 신체적 위험을 제어하기 어려운 존재다. 반드시 시트벨트(seat belt)에 의해 보호받아야만 하는 이유다. 참고로 시트벨트는 중력가속도의 30배 이상의 관성하중에 견딜 수 있는 구조로, 체중 이 60kg인 탑승자가 1800kg의 관성력을 받더라도 신체를 안전하게 구속시킬 수 있는 장치다.

* 참고로 본 칼럼은 교통안전공단 교통안전 월간지 "TS" 에 게재된 내용입니다.