충돌
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1. 개요
충돌은 물리학에서 두 물체 간의 상호 작용으로 운동량과 에너지가 교환되는 현상을 의미하며, 짧은 시간 동안 내부 힘에 의해 물체의 운동 변화를 일으킨다. 충돌은 운동 에너지 보존 여부에 따라 탄성 충돌과 비탄성 충돌로 나뉜다. 탄성 충돌은 운동 에너지가 보존되는 이상적인 경우이며, 비탄성 충돌은 운동 에너지의 일부가 열, 소리 등으로 손실되는 경우이다. 충돌의 정도는 반발 계수로 나타내며, 0과 1 사이의 값을 갖는다. 충돌은 해양, 항공, 네트워크, 인간관계 등 다양한 분야에서 발생하며, 교통사고, 산업재해 등 한국 사회에서도 중요한 문제로 다루어진다.
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- 충돌 - 프랜시스 스콧 키 브리지 붕괴 사고
2024년 3월 26일, 컨테이너선 '달리'호가 프랜시스 스콧 키 교량의 교각과 충돌하여 교량 대부분이 붕괴되면서 인명 피해와 항만 운영 중단 등의 심각한 피해가 발생하여 사고 원인 조사와 재건 작업이 진행 중이다. - 충돌 - 비탄성 충돌
비탄성 충돌은 충돌 시 운동 에너지가 보존되지 않고 열, 소리, 변형 등으로 전환되어 손실이 발생하며, 특히 반발 계수가 0인 완전 비탄성 충돌에서는 두 물체가 합쳐져 운동 에너지 손실이 최대화되는 현상이다. - 물리학 개념 - 절연체
절연체는 전기 전도성을 막아 전기의 흐름을 제어하고 안전을 확보하며, 밴드 이론에 따라 큰 띠틈을 가져 외부 전압이 띠틈을 넘어서면 절연 파괴가 발생하며, 유리에서 세라믹, 고분자 복합 재료 등으로 제작되어 전선, 케이블 등 다양한 분야에 사용된다. - 물리학 개념 - 전기 전도체
전기 전도체는 전기를 잘 통하는 물질로, 금속, 전해질, 초전도체, 반도체 등이 있으며, 구리, 은, 알루미늄 등 다양한 재료가 전선 등에 사용된다.
| 충돌 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 두 개 이상의 물체가 짧은 시간 동안 서로에게 힘을 가하는 현상 |
| 관련 학문 | 물리학, 역학 |
| 관련 개념 | 운동량 에너지 힘 충격량 탄성 소성 |
| 물리적 특성 | |
| 유형 | 탄성 충돌 비탄성 충돌 완전 비탄성 충돌 |
| 반발 계수 | 충돌 후 상대 속도와 충돌 전 상대 속도의 비율 |
| 에너지 보존 | 탄성 충돌: 운동 에너지 보존 비탄성 충돌: 운동 에너지 손실 |
| 운동량 보존 | 모든 충돌에서 운동량은 보존됨 |
| 활용 | |
| 일상 생활 | 당구 야구 자동차 사고 |
| 과학 기술 | 입자 가속기 핵융합 연구 재료 과학 |
| 참고 | |
| 관련 용어 | 산란 반발 접촉 |
| 주의 사항 | 충돌 모델은 실제 현상을 단순화한 것이므로, 모든 경우에 정확하게 적용될 수 없음 |
2. 물리학적 충돌
물리학에서 충돌은 두 물체 간의 상호작용을 통해 운동량과 에너지가 교환되는 현상을 의미한다. 충돌은 둘 이상의 물체가 동시에 상호 작용하여 내부 힘으로 인해 관련된 물체의 운동 변화를 일으키는 짧은 기간의 상호 작용이다. 충돌은 힘을 포함한다(속도의 변화가 있다). 충돌 직전 속도 차이의 크기를 '''접근 속도'''라고 한다. 모든 충돌은 운동량을 보존한다. 다양한 유형의 충돌을 구별하는 것은 충돌 전후에 시스템의 운동 에너지도 보존하는지 여부이다.
2. 1. 충돌의 종류
충돌은 둘 이상의 물체가 동시에 상호 작용하여 내부 힘으로 인해 관련된 물체의 운동 변화를 일으키는 짧은 기간의 상호 작용이다. 충돌은 힘을 포함한다(속도의 변화가 있다). 충돌 직전 속도 차이의 크기를 '''접근 속도'''라고 한다. 모든 충돌은 운동량을 보존한다. 다양한 유형의 충돌을 구별하는 것은 충돌 전후에 시스템의 운동 에너지도 보존하는지 여부이다. 충돌은 크게 두 가지 유형으로 나뉜다.
- '''탄성 충돌''': 총 운동 에너지의 전부가 보존되는 경우(즉, 소리, 열 등으로 에너지가 방출되지 않음) 충돌을 ''완전 탄성''이라고 한다. 이러한 시스템은 이상화이며 열역학 제2법칙으로 인해 실제로 발생할 수 없다.[4] 이상 기체의 충돌은 완벽하게 탄성 충돌에 접근하며, 전자기력에 의해 편향되는 아원자 입자의 산란 상호 작용도 마찬가지이다. 위성와 행성 간의 슬링샷 유형의 중력 상호 작용과 같은 일부 대규모 상호 작용은 거의 완벽하게 탄성적이다.
- '''비탄성 충돌''': 총 운동 에너지의 대부분 또는 전부가 손실되는 경우(열, 소리 등으로 소멸되거나 물체 자체에 흡수됨) 충돌을 ''비탄성''이라고 한다.[4] 이러한 충돌은 물체가 완전히 멈추는 것을 포함한다. 이에 대한 예는 야구 배트가 야구공을 치는 경우이다. 배트의 운동 에너지가 공으로 전달되어 공의 속도가 크게 증가한다. 배트가 공을 치는 소리는 에너지 손실을 나타낸다. "완전 비탄성" 충돌(또는 "완전 소성" 충돌이라고도 함)은 두 물체가 충돌 후 합체하는 비탄성 충돌의 극한 사례이다. 이러한 충돌의 예는 자동차 충돌이다. 자동차는 충돌 시 서로 튕겨나가는 대신 안쪽으로 구겨진다. 이는 충돌 시 충돌 안전성이 탑승자와 주변 사람들의 안전을 위해 설계된 것이다. 자동차의 프레임이 충돌 에너지를 흡수하기 때문이다.
충돌이 탄성 또는 비탄성인 정도는 일반적으로 0과 1 사이의 값을 갖는 반발 계수로 정량화된다. 완전 탄성 충돌은 반발 계수가 1이고 완전 비탄성 충돌은 반발 계수가 0이다. 충격선은 충돌 중 가장 가깝거나 접촉하는 표면의 공통 법선과 공선인 선이다. 이것은 충돌의 내부 힘이 충돌 중에 작용하는 선이며, 뉴턴의 반발 계수는 이 선을 따라서만 정의된다.
두 물체의 1차원 충돌을 생각해 보자. 충돌 전 한 물체의 상대 속도를 ''u''라고 하면, 충돌 후 상대 속도 ''u'' '는 다음과 같다.
:u' = -eu
여기서 ''e''는 '''반발 계수'''라고 불린다.
2. 1. 1. 탄성 충돌
충돌 전후 운동 에너지가 보존되는 이상적인 충돌이다.[4] 이러한 시스템은 이상화이며 열역학 제2법칙으로 인해 실제로 발생할 수 없다. 이상 기체의 충돌은 완벽하게 탄성 충돌에 접근하며, 전자기력에 의해 편향되는 아원자 입자의 산란 상호 작용도 마찬가지이다. 위성와 행성 간의 슬링샷 유형의 중력 상호 작용과 같은 일부 대규모 상호 작용은 거의 완벽하게 탄성적이다.
큐 스포츠에서 중요한 역할을 한다. 당구공 간의 충돌은 거의 탄성 충돌에 가깝고, 공은 낮은 구름 마찰을 생성하는 표면 위를 굴러가기 때문에, 그들의 행동은 종종 뉴턴의 운동 법칙을 설명하는 데 사용된다.[2] 질량이 같은 정지해 있는 공과 움직이는 공의 마찰이 없는 충돌 후, 두 공의 방향 사이의 각도는 90도이다.
완전 탄성 충돌의 경우, 반발 계수는 1이다.[4]
2. 1. 2. 비탄성 충돌
비탄성 충돌은 총 운동 에너지의 대부분 또는 전부가 손실되는(열, 소리 등으로 소멸되거나 물체 자체에 흡수됨) 충돌을 의미한다.[4] 이러한 충돌은 물체가 완전히 멈추는 것을 포함한다. 이에 대한 예는 야구 배트가 야구공을 치는 경우이다. 배트의 운동 에너지가 공으로 전달되어 공의 속도가 크게 증가한다. 배트가 공을 치는 소리는 에너지 손실을 나타낸다.
"완전 비탄성" 충돌(또는 "완전 소성" 충돌이라고도 함)은 두 물체가 충돌 후 합체하는 비탄성 충돌의 극한 사례이다. 이러한 충돌의 예는 자동차 충돌이다. 자동차는 충돌 시 서로 튕겨나가는 대신 안쪽으로 구겨진다. 이는 충돌 시 충돌 안전성이 탑승자와 주변 사람들의 안전을 위해 설계된 것이다. 자동차의 프레임이 충돌 에너지를 흡수하기 때문이다.
충돌이 탄성 또는 비탄성인 정도는 일반적으로 0과 1 사이의 값을 갖는 반발 계수로 정량화된다. 완전 탄성 충돌은 반발 계수가 1이고 완전 비탄성 충돌은 반발 계수가 0이다.
완전한 비탄성 충돌, 즉 반발 계수가 0인 경우, 충돌하는 입자는 합체한다. 운동량 보존을 고려해야 한다.
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여기서 '''v'''는 최종 속도이며, 따라서 다음과 같다.
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총 운동 에너지의 감소는 두 입자 시스템에 대한 질량 중심 좌표계에서 충돌 전 총 운동 에너지와 같다. 왜냐하면 그러한 좌표계에서 충돌 후 운동 에너지는 0이기 때문이다.
두 물체의 1차원 충돌을 생각해 보자. 충돌 전 한 물체의 상대 속도를 ''u''라고 하면, 충돌 후 상대 속도 ''u'' '는 다음과 같다.
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여기서 ''e''는 '''반발 계수'''라고 불린다.
2. 2. 반발 계수
반발 계수는 충돌의 탄성 정도를 나타내는 값으로, 0과 1 사이의 값을 가진다.[4] 충돌 전 상대 속도와 충돌 후 상대 속도의 비율로 정의된다. 탄성 충돌은 반발 계수가 1인 경우로, 운동 에너지가 보존된다.[4] 비탄성 충돌은 반발 계수가 0에서 1 사이의 값으로, 운동 에너지의 일부가 열이나 소리 등으로 소산된다. 이상 기체의 충돌이나 전자기력에 의해 편향되는 아원자 입자의 산란 상호 작용은 완전 탄성 충돌에 가깝다.[4]2. 3. 충돌과 운동량 보존 법칙
충돌은 둘 이상의 물체가 짧은 시간 동안 상호 작용하여 내부 힘으로 인해 운동 변화를 일으키는 현상이다.[4] 충돌은 힘을 포함하므로 속도의 변화가 수반된다. 충돌 직전 속도 차이의 크기를 '''접근 속도'''라고 한다. 모든 충돌은 운동량을 보존한다.[4] 즉, 외부 힘이 작용하지 않는 고립계에서 충돌 전후 총 운동량은 일정하게 유지된다.충돌은 운동 에너지 보존 여부에 따라 두 가지 유형으로 나뉜다.
- '''탄성 충돌''': 총 운동 에너지가 보존되는 경우(즉, 소리, 열 등으로 에너지가 방출되지 않음) 충돌을 ''완전 탄성''이라고 한다. 이러한 시스템은 이상화이며 열역학 제2법칙으로 인해 실제로 발생할 수 없다. 이상 기체의 충돌은 완벽하게 탄성 충돌에 접근하며, 전자기력에 의해 편향되는 아원자 입자의 산란 상호 작용도 마찬가지이다.[4] 위성과 행성 간의 슬링샷 유형의 중력 상호 작용과 같은 일부 대규모 상호 작용은 거의 완벽하게 탄성적이다.
- '''비탄성 충돌''': 총 운동 에너지의 대부분 또는 전부가 손실되는 경우(열, 소리 등으로 소멸되거나 물체 자체에 흡수됨) 충돌을 ''비탄성''이라고 한다. 이러한 충돌은 물체가 완전히 멈추는 것을 포함한다. 야구 배트가 야구공을 치는 경우가 그 예시이다. 배트의 운동 에너지가 공으로 전달되어 공의 속도가 크게 증가한다. 배트가 공을 치는 소리는 에너지 손실을 나타낸다. "완전 비탄성" 충돌(또는 "완전 소성" 충돌이라고도 함)은 두 물체가 충돌 후 합체하는 비탄성 충돌의 극한 사례이다. 자동차 충돌이 그 예이다. 자동차는 충돌 시 서로 튕겨나가는 대신 안쪽으로 구겨지도록 설계되었는데, 이는 자동차 프레임이 충돌 에너지를 흡수하여 탑승자와 주변 사람들의 충돌 안전성을 확보하기 위함이다.
충돌이 탄성 또는 비탄성인 정도는 일반적으로 0과 1 사이의 값을 갖는 반발 계수로 정량화된다. 완전 탄성 충돌은 반발 계수가 1이고 완전 비탄성 충돌은 반발 계수가 0이다. 충격선은 충돌 중 가장 가깝거나 접촉하는 표면의 공통 법선과 공선인 선이다. 이것은 충돌의 내부 힘이 충돌 중에 작용하는 선이며, 뉴턴의 반발 계수는 이 선을 따라서만 정의된다.[4]
두 물체의 1차원 충돌에서 충돌 전 한 물체의 상대 속도를 ''u''라고 하면, 충돌 후 상대 속도 ''u'' '는 다음과 같다.
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여기서 ''e''는 반발 계수이다. ''e'' = 1이면 운동 에너지가 보존되는 '''완전 탄성 충돌'''[4]이다. 완전 탄성 충돌이 아닌 경우, 운동 에너지는 부분적으로 열 에너지 등으로 변환되어 소산된다.
2. 4. 2차원 충돌
당구공의 충돌과 같이 평면상에서 일어나는 충돌을 2차원 충돌이라고 한다.[2] 큐 스포츠에서 당구공 간의 충돌은 거의 탄성 충돌에 가깝고, 공은 낮은 구름 마찰을 생성하는 표면 위를 굴러가기 때문에, 그들의 행동은 종종 뉴턴의 운동 법칙을 설명하는 데 사용된다.[2] 질량이 같은 정지해 있는 공과 움직이는 공의 마찰이 없는 충돌 후, 두 공의 방향 사이의 각도는 90도이다. 이것은 프로 당구 선수들이 고려하는 중요한 사실이지만, 이는 공이 마찰 없이 테이블 위를 굴러가는 것이 아니라 마찰을 일으키며 굴러간다는 점을 가정한다.[2]두 질량 ''m''1과 ''m''2의 2차원에서의 탄성 충돌을 고려해 보자. 각각 초기 속도 '''u'''1과 '''u'''2를 가지며, 여기서 '''u'''2 = '''0''', 최종 속도는 '''V'''1과 '''V'''2이다. 운동량 보존 법칙은 ''m''1'''u'''1 = ''m''1'''V'''1 + ''m''2'''V'''2를 제공한다. 탄성 충돌에 대한 에너지 보존 법칙은 (1/2)''m''1|'''u'''1|2 = (1/2)''m''1|'''V'''1|2 + (1/2)''m''2|'''V'''2|2를 제공한다.
''m''1 = ''m''2인 경우, '''u'''1 = '''V'''1 + '''V'''2 및 |'''u'''1|2 = |'''V'''1|2 + |'''V'''2|2을 얻는다. 전자의 각 변에 자체를 내적하면, |'''u'''1|2 = '''u'''1•'''u'''1 = |'''V'''1|2 + |'''V'''2|2 + 2'''V'''1•'''V'''2가 된다. 이것을 후자 방정식과 비교하면 '''V'''1•'''V'''2 = 0이 되어, '''V'''1이 영 벡터인 경우 (충돌이 정면 충돌인 경우에만 발생한다)를 제외하고 서로 수직이다.
두 물체의 1차원 충돌에서 충돌 전 한 물체의 상대 속도를 ''u''라고 하면, 충돌 후 상대 속도 ''u'' '는 다음과 같다: u' = -eu. 여기서 ''e''는 반발 계수라고 불린다. 반발 계수는 0에서 1 사이의 값을 가지며, ''e'' = 1이면 운동 에너지가 보존되는 완전 탄성 충돌[4]이라고 한다. 완전 탄성 충돌이 아닌 경우, 운동 에너지는 부분적으로 열 에너지 등으로 변환되어 소산된다.
3. 초고속 충돌
초고속은 매우 높은 속도로, 대략 초당 3,000 미터(시속 11,000km) 이상을 의미한다. 특히, 초고속은 충돌 시 재료의 강도가 관성 응력에 비해 매우 작을 정도로 높은 속도이다.[3] 따라서, 금속과 유체는 초고속 충돌 하에서 유사하게 거동한다. 극심한 초고속 하에서의 충돌은 증발로 이어져 충격체와 표적이 증발한다. 구조용 금속의 경우, 초고속은 일반적으로 초당 2,500m (시속 9,000km) 이상으로 간주된다. 운석 크레이터 역시 초고속 충돌의 예이다.
4. 다양한 분야에서의 충돌
발이나 발바닥이 기질과 충돌하는 현상은 일반적으로 지면 반력이라고 한다. 이러한 충돌은 운동 에너지가 보존되지 않으므로 비탄성적이다. 의지에서 중요한 연구 주제는 장애가 있는 보행과 장애가 없는 보행 모두와 관련된 발-지면 충돌 중에 발생하는 힘을 정량화하는 것이다. 이러한 정량화에는 일반적으로 대상자가 힘판 (때로는 "힘대")을 가로질러 걷는 것과 자세한 운동학 및 동역학 (때로는 운동학이라고 함) 분석이 필요하다.
충돌은 가장 흔한 해난 사고 유형으로, "선박이 항행 중 또는 정박 중에 다른 선박과 충돌 또는 접촉하여 어느 선박에든 손상이 발생한 경우"와 "선박이 안벽, 부두, 등부표에 충돌 또는 접촉하여 선박 또는 선박과 시설 양쪽에 손상이 발생한 경우"로 정의된다.[5] 대한민국은 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 선박 간 충돌은 해양 사고의 주요 원인 중 하나이며, 인명 피해, 재산 피해, 해양 오염 등 심각한 결과를 초래할 수 있기 때문에 해양 사고 예방을 위한 노력이 중요하다.
항공기 간의 충돌은 대형 참사로 이어질 수 있다. 항공 교통 관제 시스템은 항공기 간 충돌을 방지하는 데 중요한 역할을 한다.
컴퓨터 네트워크에서 데이터 패킷 간의 충돌은 통신 속도 저하를 유발한다. OSI 참조 모델의 제1계층(물리 계층)에서 전송로 컴퓨터 네트워크의 신호가 충돌하는 것을 "충돌"(Collision)이라고 부른다. 충돌한 신호는 파괴되기 때문에, TCP/IP의 TCP 등, 신뢰성을 필요로 하는 통신 프로토콜에서는 재전송이 필요하게 된다. TCP/IP 프로토콜은 충돌 감지 및 재전송 기능을 통해 신뢰성 있는 통신을 보장한다.
인간관계에서의 대립은 충돌이라고도 불린다. 불건전한 대화는 삼가고, 충돌로 이어질 수 있는 질문에 답할 수 있도록 준비해야 한다.[6] 충돌 중에 사람이 생각을 바꾸는 것은 거의 불가능하며, 충돌로 이어질 수 있는 질문에는 답할 필요가 없다는 것을 주의해야 한다.[6] 주변에서 충돌로 이어질 질문임을 경고하거나, 휴식을 취하고, 사전에 명확한 시간 제한을 주거나, 상대방에게 상냥하게 대하고, 파티의 목적은 축하라는 것을 기억하는 것 등으로 충돌을 회피하는 것은 충분히 가능하다.[6] 특히 대한민국 사회에서는 집단주의 문화와 위계질서의 영향으로 갈등이 증폭될 수 있으므로, 개인 간의 소통과 이해가 더욱 중요하다.
4. 1. 해양 사고
충돌은 가장 흔한 해난 사고 유형으로, "선박이 항행 중 또는 정박 중에 다른 선박과 충돌 또는 접촉하여 어느 선박에든 손상이 발생한 경우"와 "선박이 안벽, 부두, 등부표에 충돌 또는 접촉하여 선박 또는 선박과 시설 양쪽에 손상이 발생한 경우"로 정의된다.[5] 대한민국은 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 선박 간 충돌은 해양 사고의 주요 원인 중 하나이며, 인명 피해, 재산 피해, 해양 오염 등 심각한 결과를 초래할 수 있기 때문에 해양 사고 예방을 위한 노력이 중요하다.4. 2. 항공 사고
항공기 간의 충돌은 대형 참사로 이어질 수 있다. 항공 교통 관제 시스템은 항공기 간 충돌을 방지하는 데 중요한 역할을 한다.4. 3. 네트워크 충돌
컴퓨터 네트워크에서 데이터 패킷 간의 충돌은 통신 속도 저하를 유발한다. OSI 참조 모델의 제1계층(물리 계층)에서 전송로 컴퓨터 네트워크의 신호가 충돌하는 것을 "충돌"(Collision)이라고 부른다. 충돌한 신호는 파괴되기 때문에, TCP/IP의 TCP 등, 신뢰성을 필요로 하는 통신 프로토콜에서는 재전송이 필요하게 된다. TCP/IP 프로토콜은 충돌 감지 및 재전송 기능을 통해 신뢰성 있는 통신을 보장한다.4. 4. 인간관계에서의 충돌
인간관계에서의 대립은 충돌이라고도 불린다. 불건전한 대화는 삼가고, 충돌로 이어질 수 있는 질문에 답할 수 있도록 준비해야 한다.[6] 충돌 중에 사람이 생각을 바꾸는 것은 거의 불가능하며, 충돌로 이어질 수 있는 질문에는 답할 필요가 없다는 것을 주의해야 한다.[6] 주변에서 충돌로 이어질 질문임을 경고하거나, 휴식을 취하고, 사전에 명확한 시간 제한을 주거나, 상대방에게 상냥하게 대하고, 파티의 목적은 축하라는 것을 기억하는 것 등으로 충돌을 회피하는 것은 충분히 가능하다.[6] 특히 대한민국 사회에서는 집단주의 문화와 위계질서의 영향으로 갈등이 증폭될 수 있으므로, 개인 간의 소통과 이해가 더욱 중요하다.5. 충돌과 관련된 한국의 사례
5. 1. 교통사고
5. 2. 산업재해
참조
[1]
학술지
Collision (physics)
https://www.accesssc[...]
2019
[2]
웹사이트
TP 3.1 90° rule
http://billiards.col[...]
2006-01
[3]
서적
Critical technologies for national defense
https://books.google[...]
AIAA
[4]
서적
力学
岩波書店
[5]
문서
船の百科事典
丸善出版株式会社
[6]
웹사이트
Holiday arguments brewing? Here’s how to defuse them
https://www.health.h[...]
2022-12-14
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