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분석 사례 1
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인체 충격정도에 관한 공학분석서

(핵심 요약문)
교통사고 공학감정연구소

www.accident.kr
제 출 문

20○○년 ○월 ○○일 13:00경에 □□시 ◇◇초등학교 앞 어린이보호구역 안에서 주차차량 □□□의

열린 운전석 문에 부딪친 어린이(초등학교 2년, 8세 남자, 체중 30킬로그램)의 신체가 받은 충격정

도에 대하여 분석한 결과로서『인체충격정도 에 관한 분석서』를 제출합니다.

2013년 ○월 ○○일
【연 구 기 관】교통사고 공 학 감 정 연 구 소
작 성 : 공 학 박 사 강 성 모

010-7309-5803, 02-3476-7300
• 핵심 분석 사항
(가), 인체의 충격에 관한 고찰
(나), 이 사고의 충격유형상 특징
(다), 이 사고의 어린이가 받은 충격정도의 산출
(라), 충격내성과 비교 고찰
[사고 차량 □□□ 승용차의 규격 제원 자료]



□□□ 승용차 4면도(전면도, 좌측면도, 우측면도, 후면도) 생략


  
1. 인체의 충격에 관한 고찰
1.1 인체 충격의 개요
■사람이 물체에 부딪치면 부상을 입는다. 부상의 공통적인 특징은 충돌로 사람의 신체가 충격을 받기 때문이고, 이와 같이 받은 충격을 충격부하라고 한다. 일반적으로 인체가 받는 충격부하의 크기는 사람이 물체에 부딪칠 때의 delta-V(인체에 발생하는 속도변화)에 의해 충격가속도(인체에 가해진 단위시간당 속도변화)로 나타나는데, 충격정도가 산출(측정)되면 충격부하에 견딜 수 있는 한계인 상해역치(Injury Threshold)와 비교하여 부상정도를 추정하게 된다.
■보통 사람이 무엇에 부딪치지 않고도 실제로 느낄 수 있는 가장 큰 충격은 유원지의 놀이기계에서 발생하는 경우로서 선행연구의 실험 예에 의하면, 유원지의 놀이기구에서 사람에게 발생하는 충격가속도는 최대 6G, 스포츠에 있어서 높이뛰기 선수가 달리다가 뛰어 오르기 위해 지면을 밟을 때의 충격은 4.7G가 되고, 달리기에 있어서 지면에 발을 내딛을 때의 충격은 2.6G가 된다고 한다. 또한 복싱선수가 머리를 강하게 맞았을 때 뇌에 발생하는 충격은 150G가 된다고 한다. 아래【표1】은 NASA(미국항공우주국)에서 발표한 여러 경우에 있어서 인간이 체험하는 충격가속도이다. (※G는 중력가속도임)
【표1】인체가 느끼는 충격유형별 충격부하정도
충격유형        충격부하정도
낙하산이 펴질 때의 충격        6∼30G
낙하산이 착지할 때의 충격        1.5∼4G
비행기 발진(항공모함탑재)시의 충격        3∼7G
전투기의 시트방출시의 충격        10G
소방대의 인명구조그물에 낙하될 때        20G
헬멧을 쓴 머리의 충격한계        15∼40G
똑바로 선 자세에서 넘어졌을 때
머리에 미치는 충격        170G
목숨을 건진 낙하의 예        25∼250G(낙하거리15∼52m)
자동차의 중대사고        100G이상
일반적인 구명한계        175∼200G <자료 : Hayashi Hiroshi, 자동차사고감정공학, 기술서원, pp. ooo, 2004>
1.2 인체의 충격과 공학적 지표(역학량)
인체에 가해지는 충격정도(충격부하)의 크기를 나타내는 데는 충격가속도와 충격력이 사용되고 있는데, 이것들을 알기위한 방법은 먼저 상대충돌속도와 충돌물체의 중량을 이용하여 속도변화를 먼저 산출한 다음 속도변화에 의해 충격가속도를 구하면 되고, 선진연구자들의 실험과 연구에 의해 추출한 지표와 비교함으로써 충돌로 인한 인체의 충격정도를 짐작할 수 있는 것이다.

【표2】충격과 관련된 역학량(지표)의 종류
구분        용어의 정의        단위
상대충돌
속도        최초 충돌시 양 차량사이의 속도차        km/h or m/s
delta-V
(속도변화)        ①충돌시 물체에 발생하는 속도변화
②최초충돌시속도와 두 차가 맞물린 공통속도와의 차
③상대충돌속도×중량의 역구성비        km/h or m/s
충격 가속도        ①인체에 가해진 단위시간당 속도변화량
②충격지속시간(충돌시간)당 속도변화        m/s2, g, G
충격력        충격물체의 질량×힘이 가해질 때의 가속도        kgf, N
충격토크        ①회전중심으로부터 일정위치에서 힘을 가해 돌 리는 회전력
②인체의 회전 또는 비틀림을 유발시키는 회전력        kg․m
충격량        ①외부에서 충격력을 받아 생기는 운동량의 변화
②충격력×충격지속시간        kg․m/s, N・s  
1.3 충격가속도
■충격가속도(  )란 충돌로 인한 단위시간(  )당 속도변화량(  ), 즉, 충격지속시간(충돌시간)(  )당 속도변화(  )로서 충격지속시간(  )이 짧고 속도변화(  )가 클수록 커진다.
충격가속도 :
■단위는  을 사용하지만 선진연구자들의 충격실험 자료와 알기 쉽게 비교하기 위하여 중력가속도(  )에 대한 비율(10  , 0.6  등)로 나타낸다.
<차량이 질량무한대인 강체 고정벽에 충돌한 경우의 산출 예>
중량이  인 차량이 강체 고정벽에 72km/h(=20m/s ; 고정벽 충돌에서는 충돌속도가 곧 속도변화임)로 정면충돌(충돌시간 0.1초)하였을 때 차체에 가해지는 충격가속도는?
(충격가속도)  가 된다.

1.4 충격력
■충격력이란 “물체에 힘을 가하면 가속도가 생긴다”는 뉴턴의 운동 제2법칙(가속도의 법칙)에 따라 물체(상대차량)의 질량(  )과 충격가속도(  )를 곱한 값으로서 충돌의 충격에 의해 가해진 충격의 힘을 말한다.
(충격력)
■충격력은 충격물체의 질량(  )이 클수록, 가속도(  )가 클수록 증가하며, 가속도(  )는 단위시간당 속도변화량이므로 충돌지속시간(  )이 짧고 큰 속도변화(처음속도-나중속도)가 일어날 때 충격력도 커지게 된다.

예1)질량 10  인 원통형 물체가 20  의 가속도로 인체를 충격할 때의 충격력
<수식 생략>
예2)중량(  )이 1000  인 자동차가 0.1초 동안 다른 차량을 충격하여 10  (충돌직전속도-충돌직후속도)의 속도변화가 발생했을 때의 충격력
<수식 생략>
이처럼 충돌물체의 질량(중량)을 이용하여 충격력이 산출된다.

1.5 충격량
충격량은 운동량의 변화(위치 변동, 즉 거리의 이동이 있음)와 같은 것으로서 충격력(  )에 충격지속시간(  )를 곱한 값으로서 식으로 쓰면  이다. 따라서 어린이가 정차 차량에 부딪친 이 사고와 같이 충돌 중 거리의 이동(한 물체가 다른 물체를 밀고 가거나 밀리는 운동)이 없으므로 해당되지 않아 생략함.
2. 이 사고의 충격유형상 특징은 어떠한가?
-관심사항에 집중하여 고찰함-
㉮교통사고에서 부상정도 또는 충격정도를 규명하는 선행연구들(문헌 또는 논문 등)은 주로 자동차끼리의 충돌에서 승차자(운전자 및 동승자)들 신체의 충격정도에 집중되어 있음. ㉯위 인체의 충격에 관한 연구들은 자동차의 끊임없는 안전적 개량을 위해 수행하는 것이 대부분이기 때문에 자동차끼리의 충돌 후 차 내부에 착석하고 있던 승차자의 신체가 이동하여 차 내부의 장치물에 충격하거나 충격하지 않더라도 강한 흔들림에 의한 충격을 주요 실험 연구대상으로 하여 수많은 연구 결과물들이 발표되어 있으나, 차외의 사람과 자동차가 충격한 경우에 대한 실험 연구는 보행자 관련의 충격실험 연구에 국한되어 연구 자료들이 발표되어 있음. ㉰자동차에 충돌되는 보행자의 인체 부상에서 충격정도와 인체의 강도(强度)는 어떠한가에 대한 궁금증과 관심 및 부득이 충돌이 일어날 때 어떻게 인체의 충격 또는 부상을 최소화하도록 자동차를 제조할 것인가에 대한 노력 등의 일환으로 자동차에 부딪친 인체의 강도(세기)는 연구결과를 믿어도 될 만큼 충분히 규명 되어 있음.
㉱충격정도와 밀접한 관련성이 있는 것으로 제공된 기록에서 알 수 있는 핵심사항은 이 사고의 자동차는 사고 당시 정차상태(속도 0)이었다는 점, 인체와 부딪친 자동차의 부위는 운행 정지상태에서 열린 운전석 도어라는 점, 위 사고로 인한 부상자는 몸무게 30킬로그램의 어린이라는 점, 등이 있음. ㉲충격물체는 재질의 강성(剛性 : 단단한 성질) 및 연성(軟性 : 부드러운 성질) 여부, 모양의 날카로움 및 둔탁함 여부에 따라 충격정도에 상당한 영향(충격가속도와 반비례 관계에 있는 충격지속시간에 영향을 줌)을 줌. 자동차에는 강성(剛性)부분과 연성(軟性)부분이 있는데 충격부위인 도어 판넬은 연성부분에 가까움, 모양은 편평한 모습임. ㉳초등학교 6년 남자의 1997년 100m 달리기 평균 기록은 18.1초이므로 초등학교 2년생은 20초를 상회할 것으로 보아 위 100m 달리기 기록 20초를 초속 및 시속으로 환산하면 초속 5  , 시속 18  가 되므로 이 사고 당시 어린이의 이동 속도는 시속 15킬로미터 이하만 검토하면 될 것으로 보임.  


3. 이 사고의 어린이가 받은 충격정도 산출
㉮앞에서 논한 바와 같이 차외의 사람이 정차된 차량의 특정부위(운전석 도어)에 충돌하였을 경우에 발생하는 충격정도의 지표는 충격가속도와 충격력이 됨.
㉯충격된 어린이의 몸무게(체중)는 기록(원고 측의 준비서면)상 30킬로그램이고, 어린이의 당시 이동속도(충격시 속도)는 다양한 속도(시속 5, 10, 15킬로미터)가 관심사항으로 되어 있으므로 충격속도별 충격정도를 선각자들의 연구에 의한 공식에 대입하여 산출한 결과는 아래 표와 같음.
㉰이상과 같은 조건(몸무게 30킬로그램의 어린이가 각 15km, 10km, 5km 속도 별로 뛰어가다 정지 중 갑자기 열린 마티즈승용차의 운전석도어에 충격)에 따라 선행연구자들의 실험 연구에서 개발된 공식에 따라 산출하면 충격가속도는 최고 4.3  정도, 충격력은 최고 630  정도로 보임.
<충격가속도 산출 결과>
공식(3쪽 참조) :  , 산출 예)
충격시 뛰던 속도→

*충격지속시간↓        15         10         5
4.20         2.78         1.39
0.1초        4.3         2.8         1.4
0.2초        2.1         1.4         0.7
0.3초        1.4         0.9         0.5
0.4초        1.1         0.7         0.4 *차량끼리의 충돌시간은 문헌상 0.1∼0.2초이므로 강체(剛體)끼리의 충돌이 아닌 사람이 이동 중 정지 차량을 충돌하는 경우는 더 길다고 보아 위 산출결과 중 0.2초 이상의 채택이 바람직함.

<충격력 산출 결과>
공식(4쪽 참조) :  , 산출 예)
충격시 뛰던 속도→

*충격지속시간↓        15         10         5
4.20         2.78         1.39
0.2초        630         417         209
0.3초        420         278         139
0.4초        315         209         104
4. 인체의 충격내성
<두부의 충격내성>
■뇌진탕의 한계 : 충격가속도 60
<안면의 충격내성>
■골절의 내성한계 : 40  ∼100
<흉부의 충격내성>
■흉부상해기준 : 60  ■중상과 경상의 경계치 : 충격력 640kg
<복부의 충격내성>
■안전한계 : 17  ■충격력 최대하중 : 340kg
인체에 별다른 상해가 발생하지 않을 충격정도는 보편적으로 충격가속도 17  로 보이며, 더 나아가 10  이하에서는 더욱 상해가 발생하지 않을 것임.
5. 요 약 및 결 론
(가) 인체충격의 역학적 지표인 충격가속도 및 충격력을 통해 상해정도 판단 가능함.
(나) 충격부위인 자동차의 도어 판넬은 연성부분에 가까움, 모양은 편평한 모습이며, 초등학생의 달리기 기록 참조하면 당시속도는 시속 약 15킬로미터 이하로 봄.
(다) 기록에 나타난 조건들에 의해 충격된 어린이가 받은 충격정도를 산출한 바, 충격가속도는 최고 4.3  정도, 충격력은 최고 630  정도로 보임.
충격시 뛰던 속도→

*충격지속시간↓        15         10         5
4.20         2.78         1.39
0.1초        4.3         2.8         1.4
0.2초        2.1         1.4         0.7
충격시 뛰던 속도→

*충격지속시간↓        15         10         5
4.20         2.78         1.39
0.2초        630         417         209 (라) 인체 각 부위의 충격내성 및 상해기준, 안전한계 등을 고려하면 인체에 별다른 상해가 발생하지 않을 충격정도는 보편적으로 충격가속도 17  로 보이며, 더 나아가 10  이하에서는 더욱 상해가 발생하지 않을 것임.
이상을 종합하면 이 사고(어린이가 마티즈의 열린 문에 충격됨)에서 뚜렷하게 상해를 입을 정도의 충격은 아니 것으로 보임.  
첨부 : 분석서 작성자의 학력ㆍ경력서 및 자격증 사본. 끝.
  
  분석 사례 1
  충돌의 충격과 인체의 충격내성
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