기차에 숨겨진 과학 - 왜 안전벨트가 없고 자갈을 깔까?

기차는 단순히 교통수단 중 하나인 우리의 탈것을 넘어, 아련한 추억을 떠올리게도 합니다. 이번 글에서는 우리가 몰랐던 기차에 숨겨져 있는 과학 이야기에 대해 알아보도록 하겠습니다.

자동차는 물론이고 비행기까지 안전을 위해 안전벨트를 반드시 착용해야 합니다. 자동차를 타고도 안전벨트를 착용하지 않을 경우에는 교통법규 위반으로 과태료를 물게 되어 있습니다.

그런데 이상하게도 기차의 실내 좌석에는 안전벨트가 없습니다. 저속으로 달리는 일반 기차는 물론이고 초고속 KTX나 SRT 열차에도 실내 좌석에 안전벨트가 없습니다.

여기에는 우리가 몰랐던 숨겨진 과학적 이유가 있습니다. 기차의 안전벨트는 사고 발생 시 승객의 안전을 지켜주기보다는 오히려 다치거나 사망할 위험을 증가시킬 가능성이 있기 때문에 모든 기차에 안전벨트를 장착하지 않는 것입니다.

그 이유는 역학적 물리 법칙으로 설명할 수 있는데, 정리하면 다음과 같습니다.

모든 물리적 충돌 시의 충격량은 단위 시간 동안 발생한 운동량의 변화로 구할 수 있습니다. 이것을 수식으로 나타내면 다음과 같이 간단하게 표시할 수 있습니다.

여기서 t는 시간이고 P는 운동량으로 mv로 나타낼 수 있는데, m은 물체의 질량이고 v는 물체의 속도입니다.

이전 포스팅(맨 아래 링크 참조)에서 자세히 설명하였지만, 두 물체의 충돌 전후 속도는 에너지 보존법칙과 운동량 보존법칙을 통해 구할 수 있습니다. 물체의 무게가 무거울수록 속도 변화가 작고, 무게가 가벼울수록 속도 변화가 크다는 것을 알 수 있습니다.

두 물체의 충돌 후 무거운 물체는 속도 변화가 작아 충돌에 의한 충격량도 작아지게 되는 것입니다. 여기에서 기차에 안전벨트가 없는 첫 번째 이유가 나오는 것입니다.

주로 두껍고 무거운 철로 제작하여 한 량의 무게가 수백 톤에서 수천 톤에 이르는 기차는, 간혹 발생하는 충돌 사고 시에도 속도 변화가 거의 없기 때문에 실내에서 느끼는 충격량이 매우 작습니다.

또한 급제동이 불가능하므로 급정지에 의한 충격으로 승객이 앞으로 튀어나가는 일도 좀처럼 발생하지 않습니다.

승용차나 웬만한 대형 트럭과 충돌해도 상대 차량은 완전히 파손되지만 기차 승객은 약한 충격만 느끼므로, 속도 변화와 충격으로부터 승객을 보호하는 기능의 안전벨트가 필요 없는 것입니다.

또한 이러한 사고조차도 정해진 철로를 달리므로 자동차에 비해 그 발생 빈도수도 매우 낮으며, 엄청난 무게로 인해 급제동도 불가능하므로 기차에는 굳이 안전벨트가 불필요한 것입니다.

가벼운 대상과 충돌하는 사고와 다르게, 신속한 구조와 대피가 필요한 대형 기차 사고(즉, 열차가 전복되거나 탈선하고 다른 기차와 충돌하는 사고)는 기차의 특성상 생존 공간의 유실이나 압사로 인한 사상자가 많이 발생합니다.

특히 신속한 구조와 대피가 필요한 전복사고나 탈선사고의 경우, 안전벨트를 풀 수 없거나 푸는데 시간이 지체되어 더 큰 인명 사고로 이어질 수 있습니다.

간단히 요약해서 정리하면, 구조가 불가능한 기차 사고에서는 안전벨트가 무용지물이고 신속한 구조가 필요한 사고에서는 안전벨트가 오히려 방해가 되므로, 기차의 승객석에 굳이 안전벨트를 장착할 필요가 없는 것입니다.

기차와 철로

기차를 이용하면서 어쩌다 철로를 바라보면 바닥에 자갈을 잔뜩 깔아놓은 모습을 볼 수 있습니다. 이것은 멋있는 추억의 장소를 만들기 위한 조경 작업이 아니며, 여기에도 놀라운 과학적 이유가 있습니다.

하지만 철로에 자갈을 깔면서 발생하는 문제점도 있습니다. 여러 가지 환경 변화에 따라 변형되기 쉬워 정기적인 관리가 필요하므로 유지보수 비용이 증가합니다.

또한 열차 운행 시 진동에 의해 자갈끼리 마찰되면서 먼지와 돌가루가 비산되므로 지하철도에는 적용하기 어렵고, 주로 지상철도에만 적용합니다.