인체의 충격부하와 충격내성(1)
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작성자 관리자 작성일13-12-03 13:18 조회10,618회 댓글0건본문
▣ 충돌사고시 발생하는 충격부하와 인체의 충격내성(1)
사람은 어느 정도의 충격에서 얼마 만큼의 부상을 입게 되는 것일까. 교통사고는 양차량이 살짝 경미하게 접촉되었는데 탑승자가 심각한 상해를 입은 경우 과연 사고와의 인과관계가 있는 것일까. 이른바 인체의 충격내성(衝擊耐性), 사고 충격과 상해와의 인과관계에 관한 문제는 교통사고 처리에 있어 주요 분쟁의 대상이 되곤 한다.
차량이 충돌하면 차체의 파손과 변형이 일어나면서 차량의 속도는 급격히 감소하게 되나 탑승자는 관성에 따라 계속 운동하게 된다. 그리하여 차내의 탑승자는 차량과 상대운동하면서 차내의 어딘가에 직접 부딪치거나 또는 강한 충격부하의 영향에 의해 상해를 입는 것이 일반적이다. 또한 차내 탑승자는 충돌에 의해 깨진 창유리나 파손되어 벌어진 차체의 틈새사이로 방출되어 날아가 노면 또는 장애물과 부딪쳐 상처입기도 하고, 보행자는 신체가 주행하는 차량에 직접 부딪치거나 부딪친 후 튕겨나가 노면에 떨어짐으로써 상처입게 된다.
이렇듯 교통사고에 있어 사람은 직․간접적인 충격부하에 의해 상해를 입게 되는데 일반적으로 상해의 정도는 충격시간(s)과 충격가속도(g, G)․충격력(kg)․유효충돌속도(속도변화;ΔV)․충격토크(kg-m) 등으로 표시되는 충격부하의 크기에 비례하여 치명도가 높아지는 것으로 알려져 있다. 물론 사람의 특정 사고에 대한 상해 가능성 내지 치명성은 충격부하 뿐만 아니라 개인의 건강상태, 기왕증, 피로도, 충격힘을 받은 위치와 자세, 보호장구의 착용유무, 충돌물체의 특성, 위험의 인지와 회피동작 여부 등 여러 조건과 상황에 따라 개인차가 발생할 수 있으므로, 단순히 비교하기 어려운 한계도 있다.
그럼에도 불구하고, 사고의 충격 자체로 발생할 수 있는 충격부하의 크기를 가늠하고, 그 충격이 사람에게 어느 정도 상해를 입힐 수 있는지 여부를 정량적인 가속도나 하중 등 공학적 수치로 예측할 수 있다면 사고로 인한 상해의 책임 관계를 설정하고 분쟁을 해소할 수 있는 유익한 자료로 활용할 수 있다.
충돌사고시 인체에 가해질 수 있는 여러 가지 충격부하의 개념과 인체 상해의 특성에 대해 살펴보자. 충격시간은 인체에 작용하는 충격힘의 지속시간을 의미한다. 충격힘의 지속시간이 길어질수록 충격힘과 지속시간의 곱으로 표현되는 물리적인 충격량(impulse)도 커져 상해의 치명도를 높일 수 있다. 다만, 동일한 충격량 조건에서는 상대적으로 충격시간을 길게 연장할수록 충격힘이 낮아져 상해를 감소시킬 수 있다. 예를 들어 브레이크가 고장난 자동차가 콘크리트 고정벽이나 흙더미 중 하나에 부딪쳐야 한다고 가정할 때 흙더미에 부딪치면 충돌시간을 상대적으로 길게 해 충격력을 훨씬 감소시킬 수 있다. 단단한 콘크리트 고정벽에 부딪치면 충돌시간이 짧아져 상대적으로 충격력을 높이게 된다. 도로의 위험구조물 앞에 충격흡시시설을 설치해 놓은 것은 정상 경로를 이탈한 차량이 위험구조물을 직접 충돌하는 것을 방지하고, 충돌시간을 연장시켜 충격력을 완화시키기 위한 것이다. 자동차 충돌의 경우 높은 충격부하가 작용하는 시간은 대부분 0.1초(100ms) 이하이다.
충격가속도는 물체에 작용하는 단위시간당 속도변화의 크기를 말한다. 뉴턴의 운동 제2법칙에 의해 물체에 힘을 가하면 그 방향으로 가속도가 생기게 되므로, 가속도는 물체에 가해진 힘을 물체의 질량(무게)로 나눈 값이다. 두 대의 차량이 정면충돌하면 매우 짧은 시간 동안에 차체가 찌그러지면서 운동량을 교환하게 되고, 이때 차량은 급격한 속도변화를 일으키게 된다. 즉 속도변화가 클수록 충격가속도가 커지고 인체에 보다 큰 충격이 가해지게 된다. 이때 차내의 안전벨트는 탑승자를 좌석에 단단히 구속시켜 신체가 차내 구조물과 2차 충돌하는 것을 방지함으로써 상해의 치명도를 효과적으로 낮출 수 있다. 또한 충격가속도가 인체에 미치는 영향은 상대 물체와의 접촉에 의해 발생하는 가속도뿐만 아니라 안전벨트를 착용한 비접촉 상황에서도 생체 조직의 생리적인 변화를 일으켜 상해를 발생시키게 된다.
운전 중 차내 탑승자는 다양한 가속도를 경험하게 된다. 가속이나 감속(제동)시에는 세로방향으로 작용하는 가속도를, 선회주행시에는 가로방향으로 작용하는 가속도를 느끼게 된다. 통상 주행에 있어 운전자는 불쾌감을 느끼지 않을 정도의 가속도를 발생시킬 뿐이다. 가속이나 제동, 선회시 발생하는 대부분 가속도는 중력가속도(g)의 0.1∼0.2배 정도이며, 0.3배 이상을 초과하는 경우도 매우 느물다. 간혹 위험을 피해 급제동한 경우 최대 0.7∼0.9배 정도의 가속도가 발생할 뿐이다.
그러나 충돌 사고시에는 중력가속도의 수십배에 이르는 매우 높은 가속도가 발생하고 중대사고에서는 100g 이상의 높은 충격가속도가 발생하기도 한다. 체중이 실린 차내 탑승자가 빠른 가속도로 이동하여 차내의 구조물에 부딪친다면 당연히 치명적 상해를 피하기 어렵게 된다. 연구자료에 의하면, 충격지속시간 100ms이하에서는 대체로 30g에서 부상이 일어나고 100g이상에서 중상 가능성이 높아진다고 보고되고 있다.
머리부분의 충격내성과 관련해서는 뇌진탕 발생의 한계 가속도는 약 60g 정도이고, 약 100∼200g 정도에서 두부골절이 발생하였다. 사체 안면을 패드로 덮고 두둘겨서 측정한 얼굴 안면부의 골절 한계 제한치는 대략적으로 약 40∼100g라는 연구결과도 있다. 또한 생명위험한계에 이르는 머리부분에 대한 치명적인 충격가속도의 범위는 약 74g(10ms)∼180g(2ms)라는 실험결과도 있다.
교통사고공학연구소
윤대권
사람은 어느 정도의 충격에서 얼마 만큼의 부상을 입게 되는 것일까. 교통사고는 양차량이 살짝 경미하게 접촉되었는데 탑승자가 심각한 상해를 입은 경우 과연 사고와의 인과관계가 있는 것일까. 이른바 인체의 충격내성(衝擊耐性), 사고 충격과 상해와의 인과관계에 관한 문제는 교통사고 처리에 있어 주요 분쟁의 대상이 되곤 한다.
차량이 충돌하면 차체의 파손과 변형이 일어나면서 차량의 속도는 급격히 감소하게 되나 탑승자는 관성에 따라 계속 운동하게 된다. 그리하여 차내의 탑승자는 차량과 상대운동하면서 차내의 어딘가에 직접 부딪치거나 또는 강한 충격부하의 영향에 의해 상해를 입는 것이 일반적이다. 또한 차내 탑승자는 충돌에 의해 깨진 창유리나 파손되어 벌어진 차체의 틈새사이로 방출되어 날아가 노면 또는 장애물과 부딪쳐 상처입기도 하고, 보행자는 신체가 주행하는 차량에 직접 부딪치거나 부딪친 후 튕겨나가 노면에 떨어짐으로써 상처입게 된다.
이렇듯 교통사고에 있어 사람은 직․간접적인 충격부하에 의해 상해를 입게 되는데 일반적으로 상해의 정도는 충격시간(s)과 충격가속도(g, G)․충격력(kg)․유효충돌속도(속도변화;ΔV)․충격토크(kg-m) 등으로 표시되는 충격부하의 크기에 비례하여 치명도가 높아지는 것으로 알려져 있다. 물론 사람의 특정 사고에 대한 상해 가능성 내지 치명성은 충격부하 뿐만 아니라 개인의 건강상태, 기왕증, 피로도, 충격힘을 받은 위치와 자세, 보호장구의 착용유무, 충돌물체의 특성, 위험의 인지와 회피동작 여부 등 여러 조건과 상황에 따라 개인차가 발생할 수 있으므로, 단순히 비교하기 어려운 한계도 있다.
그럼에도 불구하고, 사고의 충격 자체로 발생할 수 있는 충격부하의 크기를 가늠하고, 그 충격이 사람에게 어느 정도 상해를 입힐 수 있는지 여부를 정량적인 가속도나 하중 등 공학적 수치로 예측할 수 있다면 사고로 인한 상해의 책임 관계를 설정하고 분쟁을 해소할 수 있는 유익한 자료로 활용할 수 있다.
충돌사고시 인체에 가해질 수 있는 여러 가지 충격부하의 개념과 인체 상해의 특성에 대해 살펴보자. 충격시간은 인체에 작용하는 충격힘의 지속시간을 의미한다. 충격힘의 지속시간이 길어질수록 충격힘과 지속시간의 곱으로 표현되는 물리적인 충격량(impulse)도 커져 상해의 치명도를 높일 수 있다. 다만, 동일한 충격량 조건에서는 상대적으로 충격시간을 길게 연장할수록 충격힘이 낮아져 상해를 감소시킬 수 있다. 예를 들어 브레이크가 고장난 자동차가 콘크리트 고정벽이나 흙더미 중 하나에 부딪쳐야 한다고 가정할 때 흙더미에 부딪치면 충돌시간을 상대적으로 길게 해 충격력을 훨씬 감소시킬 수 있다. 단단한 콘크리트 고정벽에 부딪치면 충돌시간이 짧아져 상대적으로 충격력을 높이게 된다. 도로의 위험구조물 앞에 충격흡시시설을 설치해 놓은 것은 정상 경로를 이탈한 차량이 위험구조물을 직접 충돌하는 것을 방지하고, 충돌시간을 연장시켜 충격력을 완화시키기 위한 것이다. 자동차 충돌의 경우 높은 충격부하가 작용하는 시간은 대부분 0.1초(100ms) 이하이다.
충격가속도는 물체에 작용하는 단위시간당 속도변화의 크기를 말한다. 뉴턴의 운동 제2법칙에 의해 물체에 힘을 가하면 그 방향으로 가속도가 생기게 되므로, 가속도는 물체에 가해진 힘을 물체의 질량(무게)로 나눈 값이다. 두 대의 차량이 정면충돌하면 매우 짧은 시간 동안에 차체가 찌그러지면서 운동량을 교환하게 되고, 이때 차량은 급격한 속도변화를 일으키게 된다. 즉 속도변화가 클수록 충격가속도가 커지고 인체에 보다 큰 충격이 가해지게 된다. 이때 차내의 안전벨트는 탑승자를 좌석에 단단히 구속시켜 신체가 차내 구조물과 2차 충돌하는 것을 방지함으로써 상해의 치명도를 효과적으로 낮출 수 있다. 또한 충격가속도가 인체에 미치는 영향은 상대 물체와의 접촉에 의해 발생하는 가속도뿐만 아니라 안전벨트를 착용한 비접촉 상황에서도 생체 조직의 생리적인 변화를 일으켜 상해를 발생시키게 된다.
운전 중 차내 탑승자는 다양한 가속도를 경험하게 된다. 가속이나 감속(제동)시에는 세로방향으로 작용하는 가속도를, 선회주행시에는 가로방향으로 작용하는 가속도를 느끼게 된다. 통상 주행에 있어 운전자는 불쾌감을 느끼지 않을 정도의 가속도를 발생시킬 뿐이다. 가속이나 제동, 선회시 발생하는 대부분 가속도는 중력가속도(g)의 0.1∼0.2배 정도이며, 0.3배 이상을 초과하는 경우도 매우 느물다. 간혹 위험을 피해 급제동한 경우 최대 0.7∼0.9배 정도의 가속도가 발생할 뿐이다.
그러나 충돌 사고시에는 중력가속도의 수십배에 이르는 매우 높은 가속도가 발생하고 중대사고에서는 100g 이상의 높은 충격가속도가 발생하기도 한다. 체중이 실린 차내 탑승자가 빠른 가속도로 이동하여 차내의 구조물에 부딪친다면 당연히 치명적 상해를 피하기 어렵게 된다. 연구자료에 의하면, 충격지속시간 100ms이하에서는 대체로 30g에서 부상이 일어나고 100g이상에서 중상 가능성이 높아진다고 보고되고 있다.
머리부분의 충격내성과 관련해서는 뇌진탕 발생의 한계 가속도는 약 60g 정도이고, 약 100∼200g 정도에서 두부골절이 발생하였다. 사체 안면을 패드로 덮고 두둘겨서 측정한 얼굴 안면부의 골절 한계 제한치는 대략적으로 약 40∼100g라는 연구결과도 있다. 또한 생명위험한계에 이르는 머리부분에 대한 치명적인 충격가속도의 범위는 약 74g(10ms)∼180g(2ms)라는 실험결과도 있다.
교통사고공학연구소
윤대권