물체들의 충돌은 관성, 운동량과 충격량 등의 과학적 원리와 밀접한 관계가 있다. 이 때문에 우리의 안전을 지켜주는 안전장치에는 관성, 운동량과 충격량 등의 다양한 과학적 원리가 활용되는 사례가 많다. 이번 시간은 운동량과 충격량이 활용된 안전장치들의 과학적 원리에 대하여 이야기하려 합니다.

안전장치와 운동법칙

운동하던 방향으로 그 운동을 계속 유지하려는 관성의 법칙에 의해 자동차는 정지하더라도 운전자는 계속 운동 방향으로 나가려 한다. 안전장치가 없다면 운전자는 자동차 내부와 충돌하든지 혹은 자동차 밖으로 튀어 나가게 된다. 자동차 안전띠는 충돌 사고에서 관성을 방해하여 운전자를 지켜주는 안전장치이다. 이처럼 관성을 방해하는 안전장치 이외에도 운동량과 충격량을 이용한 안전장치도 있다.

위에서 아래로 떨어지는 어떤 물체의 역학적 에너지는 일정한 값을 유지하게 되지만 떨어지는 물체가 바닥에 가까워지면서 위치에너지(mgh)가 운동에너지(½mv2)로 전환되며 물체의 속도는 점점 증가하게 되며 ‘물체의 질량(m)과 그 물체가 갖고 있는 속도(v)의 곱으로 얻어지는 물리량인 운동량(P=m×v)’도 점점 증가하게 된다. ‘운동량 변화(△P)는 질량(m)에 속도의 변화량(v2-v1)을 곱한 값’으로 나타낼 수 있다. 어떤 물체가 바닥에 닿는 순간 비커의 운동을 방해하는 힘(F)에 의해 정지하게 되면서 운동량이 0이 되면서 운동량의 변화량은 충격량으로 바뀌며 물체에 모두 전해지게 되며, 그 힘에 의해 깨지게 된다.

운동량이 충격량으로 바뀔 때

하지만 위와 같은 물체를 침대 매트리스 위에 떨어뜨리면 바닥에 떨어질 때까지 운동량의 변화는 위와 똑같지만 운동량이 0이 되는데 걸리는 시간은 바닥에 떨어지는 경우보다 길어지게 된다.

그래서 딱딱한 바닥에 떨어지는 물체는 잘 깨지지만 같은 재질의 물체가 침대 매트리스처럼 부드러운 재질의 바닥에 떨어지면 깨지지 않는 현상을 다음과 같이 설명할 수 있다.

충돌 사고가 발생하면 달리던 자동차는 물체에 부딪치면서 아주 짧은 시간 안에 정지하게 되면서 운동량의 변화가 발생하게 된다. 위에서 언급했듯이 ‘운동량(P=m×v)은 물체의 질량(m)과 그 물체가 갖고 있는 속도(v)의 곱’으로 얻어진다. 그러므로 물체의 질량(m)이 클수록 속도(v)가 빠를수록 운동량(P)은 증가하게 되며, 반면 정지된 자동차의 운동량은 0이 된다.

‘운동량 변화(△P)는 질량(m)에 속도의 변화량(v2-v1)을 곱한 값’으로 나타낸다. 일반적으로 같은 질량의 자동차 충돌 사고에서 속도가 빠른 자동차가 정지할 때 운동량 변화는 커진다. 이는 운전할 때 과속이 위험한 이유를 말해주는 것이다.

‘힘(F)과 그 힘이 작용한 시간(△t)의 곱으로 계산되는 충격량(=F×△t)’은 운동량의 변화량과 같은 값을 갖게 된다. 그래서 충돌 사고에서 발생한 운동량의 변화(△P)는 모두 충격량으로 바뀌어 나에게 전해지게 되는 것이다.

운동량의 변화량과 충격량은 같은 값이며, ‘운동량 보존의 법칙’ 등에 의하여 충돌 사고에 의해 발생한 충격량(=F×△t)은 일정한 값이 유지되어야 한다. 이 때문에 힘(F)이 나에게 작용한 시간(△t)의 값이 커질수록 전해지는 힘(F)이 값이 감소하게 되어야 충격량이 일정한 값을 유지할 수 있다.

힘을 감소시키는 기능

자동차의 에어백처럼 자동차 운전자가 물체에 직접 부딪치는 시간을 길게 할수록 운전자에게 전해지는 힘(F)이 줄이는 방법으로 운전자를 안전하게 지켜주게 된다.

야구 글러브, 인라인스케이트의 무릎 보호대, 에어백 및 범퍼 등과의 충돌 과정에서 모양이 변하면서 충돌 시간을 길게 하여 힘(F)을 감소시키는 기능은 불의의 사고를 대비할 수 있는 최소한의 안전장치들이다.

가정, 학급, 학교 단위의 다양한 체험 활동이 많이 진행되는 계절이다. 우리는 버스나 자동차를 이용할 때 안전장치들의 중요성을 깨닫고, 안전을 지키기 위한 스스로의 노력과 의식 전환이 필요하다.

강신종 < 용화여고 교사 >