인체의 충격부하와 충격내성(2)

충격력(충격하중)은 물체에 작용하는 힘 또는 인체에 작용하는 힘이다. 힘은 질량을 가진 물체가 일정한 가속도로 운동할 때 관측되는 물리량이므로 운동량(질량과 속도의 곱)의 시간적 변화라고 할 수 있다. 충격력은 운동하는 물체의 질량(무게)이 클수록, 가속도가 클수록 커지게 된다. 빠른 속도로 주행하던 차량이 단단한 물체와 충돌하여 속도변화가 크게 일어나면 차체에 작용하는 충격력도 커지고 차 내부의 탑승자도 관성운동하면서 차 내부와 부딪쳐 큰 충격력을 받게 된다.

참고로 고정벽 정면충돌시 체중이 60kg인 탑승자의 신체가 전방으로 튕겨나가려는 관성하중을 뉴턴의 운동공식을 통해 산출해 보면 30km/h에서 508kg, 60km/h에서 1022kg, 100km/h에서 1701kg 정도가 된다. 탑승자의 체중이 많이 나갈수록 관성하중이 증가한다. 탑승자가 안전벨트를 착용하지 않으면 굉장히 큰 관성하중으로 튕겨나가 차내에 부딪치게 되므로 당연히 충돌속도가 높을수록 탑승자의 상해 가능성도 높아질 수 밖에 없다.

사체의 구개골 부위를 원통형의 해머(hammer)로 타격하여 골절이 나타나는 평균 충격력 범위를 조사한 결과에 의하면 전면(前頭部)의 경우 453∼776kg, 후면(後頭部)의 경우 350∼585kg 이었다. 비슷한 다른 실험 결과를 보면 전면 410kg,  측면 250kg, 상하방향 100kg 이었다. 사체의 가슴(흉부)을 타격하여 늑골이나 흉골에 골절상이 나타나는 한계 하중은 약 410∼550kg이었다. 최근 자동차의 안전벨트에는  탑승자의 가슴부위 상해를 최소화시키기 위해 로드리미트(load limit)라는 기능이 추가된 경우가 많다. 로드리미트는 충돌시 안전벨트에 가해지는 힘이 일정하중(예를 들어 가슴의 대략적인 상해 한계값 500kg/ 이상)을 초과하면 안전벨트를 일정량 만큼 약간 풀어주어 가슴에 가해지는 하중을 감소시키기 위한 안전장치다. 하퇴부의 골절 한계와 관련된 충격하중은 경골(정강이뼈)의 경우 477∼908kg, 대퇴골(허벅지뼈)의 경우 431∼1090kg이었다. 목부에 가해지는 충격내성 한계치로서 MERTZ와 PATRICK이 제안한 인장력은 116kg, 압축력은 113kg, 전단력은 86kg이다.

유효충돌속도란 충돌물체에 생기는 속도변화(ΔV)를 말한다. 충돌중의 속도변화가 크면 그 만큼 비례하여 충격가속도와 충격하중도 커진다. 인체의 충격내성을 직접적으로 규정짓는 충격부하의 척도로 사용되지는 않지만 충격가속도나 충격력의 비례하는 물리량이므로 보조적인 척도로 사용되고 있다. 또한 탑승자에게 가해진 충격부하를 추정하기 위해서는 먼저 충돌 차량에 가해진 충격의 정도를 선행적으로 추정하게 되는데 이때 유효충돌속도나 속도변화의 개념은 매우 유용한 지표다.

참고로 미국의 자동차의학진흥협회(AAAM)에서 제정한 인체의 약식 상해등급(AIS: Abbreviated Injury Scale) 기준은 다음과 같고, 충돌시 차량의 속도변화(ΔV : Delta-V)와 인체 상해등급(AIS)과의 상관관계를 조사한 연구 자료에 의하면 안전벨트 착용 조건에서 대략적으로 속도변화가 10∼20km/h 일 때 AIS 2등급의 상해가 발생할 확률은 약 10% 미만이고, 20∼30km/h시에는 약 20% 미만, 30∼40km/h시에는 약 40∼60%였다. 속도변화가 40∼50km/h 범위일 때 AIS 2등급(moderate)의 상해가 발생한 확률은 약 60∼80% 정도이고, AIS 3등급(serious)의 상해가 발생할 확률은 약 20∼40% 정도였다.  

[미국 자동차의학진흥협회의 약식 상해등급(AIS)]

AIS 1등급(minor) :  두통 또는 현기증, 늑골 1개 골절, 사망률 0.1% 이하
AIS 2등급(moderate) : 의식불명 1시간 미만, 늑골 다수 골절, 사망률 0.1∼0.4%
AIS 3등급(serious) :  의식불명 1∼6시간, 기흉-혈흉 손상, 사망률 0.8∼2.1%
AIS 4등급(severe) :  의식불명 6∼24시간, 늑골-흉부 손상, 사망률 7.9∼10.6%
AIS 5등급(critical) :  의식불명 24시간 이상, 치명적 손상, 사망률 53.1∼58.4%
AIS 6등급(maximum injury (최대부상) :  사실상 생존불능

충격토크(torque)는 갑작스런 굴곡운동에 의해 생기는 부하를 말한다. 충격토크에 의해 나타나는 대표적인 상해는 주로 후방 추돌시 발생하는 목부위 상해다. 차의 후방에서 추돌 충격을 받으면 차는 전방으로 가속되어 나아가나 차내의 탑승자는 관성에 의해 처음의 상태를 계속 유지하려고 한다. 이때 탑승자의 몸은 탄성체인 시트(seat)의 등받이에 부딪치면서 대부분의 충격이 완화되거나 흡수되지만 머리는 몸과 달리 뒤로 제켜지면서 목이 후방으로 꺾이는 굴곡 운동이 동반된다. 이러한 목의 갑작스런 꺾임 운동에 의해 목 주변이 뻐근하게 절여오는 편타성(whiplash) 상해나 염좌(strain) 등이 발생되기도 하며, 심하면 목부의 근육과 인대가 끊어지거나 경추가 골절되는 상해가 나타나기도 한다. 후방 추돌뿐만 아니라 고속의 정면충돌에서도 목부 상해의 빈도가 높게 나타나고 있다. 고속으로 정면충돌하면 차내의 탑승자는 신체가 전방으로 급격히 쏠린다. 안전벨트를 착용하면 다행히 신체 쏠림을 제어할 수 있지만 목부위는 안전벨트에 의한 제어가 불가능하다. 때문에 안전벨트를 착용했음에도 불구하고 탑승자의 목부가 갑자기 앞으로 꺾이면서 충격토크를 발생시키게 되고, 이로 인해 부상을 당하는 경우가 많다.  자동차의 시트(seat) 위에 설치된 머리지지대(head restraint)는 후방 추돌시 탑승자의 머리가 뒤로 젖혀지면서 받는 목부 충격을 감소시키기 위해 고안된 안전장치다. 또한 에어백은 고속충돌시 머리가 앞으로 꺾이면서 발생할 수 있는 머리 및 목부위 상해를 효과적으로 감소시키는데 유용하다. 목부위 상해와 관련된 충격내성의 한계 제안치로는 전방 굴곡 9 kg·m, 후방 굴곡 4.8 kg·m 등이 있다.

그 외에 인체의 상해 가능성을 나타내는 충격부하의 척도로써 HIC(두부충격 상해기준), NIC(목상해지수), 추돌계수 등이 있다. HIC는 우리나라의 자동차안전기준에서 규정하고 있는 48km/h 충돌시 머리모형의 상해기준으로, 포괄적인 안전한계값은 산술평균가속도 수치인 HIC=1000 이하이다. NIC는 추돌사고시 탑승자의 목상해 발생 가능성을 머리와 몸통의 상대속도와 상대가속도를 모델링한 척도로 상해기준은 NIC=15 다. 추돌계수는 목부 상해의 임상과 충돌시 양차의 속도와 중량을 고려하여 목부 상해의 안전율을 고려한 수치로, 추돌계수=15∼30에서는 가벼운 목부 손상이 나타나고, 추돌계수=30이상에서는 심한 목부 상해가 나타날 수 있다는 것이다.


차량기술법인 H&T   윤 대 권 기술사