운동량과 충격량 (1)

야구장에서 날아오는 야구공을 잡아본 경험이 있는가? 느리게 날아오는 야구공은 맨손으로 받아도 그리 손이 아프지 않지만, 빠르게 날아오는 야구공을 맨손으로 잡으면 손이 매우 아프다. 이처럼 같은 야구공이지만 느린 공보다 빠른 공의 운동 효과가 더 크다는 것을 알 수 있다. 또 투포환과 야구공이 같은 속력으로 굴러올 때 투포환을 정지시키기가 야구공을 정지시키는 것보다 더 큰 힘이 든다는 사실을 잘 알고 있을 것이다. 이것은 질량이 큰 투포환의 운동 효과가 질량이 작은 야구공의 운동 효과보다 크기 때문이다.
우리는 물체의 질량이 같을 때는 속도가 빠른 물체의 운동 양이 속도가 느린 물체보다 크고, 속도가 같을 때는 질량이 큰 물체의 운동량이 질량이 작은 물체의 운동량보다 더 크다고 말할 수 있다. 이처럼 물체의 운동 효과는 물체의 질량 및 속도와 관련이 있다. 물체의 운동 효과는 물체의 질량과 속도의 곱으로 나타낼 수 있으며 이것을 운동량이라고 한다.
운동량은 속도와 같은 방향을 가지는 물리량(벡터)이며, 단위는 kg m/s를 사용한다. 운동량을 정의하는 식에서 알 수 있는 바와 같이 운동하는 물체의 질량과 속도 중에서 어느 하나가 크거나 둘 다 크면 그 물체는 더 큰 운동량을 가지게 된다는 것을 알 수 있다. 그러나 질량이 작은 물체라도 속도가 빠르면 질량이 크고 느린 물체보다 더 큰 운동량을 가질 수 있다. 트럭은 승용차보다 질량이 훨씬 크지만 정지해 있을 때는 운동량이 0이다. 
대부분의 차량에 설치되어 있는 에어백은 어떻게 승객을 사고로부터 보호할 수 있을까? 유리컵을 시멘트 바닥에 떨어뜨리면 깨지지만 위에 떨어뜨리면 깨지지 않는 까닭은 무엇일까? 
우리는 앞에서 물체의 속도를 변하게 하는 것은 힘이라는 것을 알았다. 그리고 물체의 운동량 변화는 속도의 변화로 생긴다는 것도 알았다. 따라서 운동량은 그 물체에 힘을 얼마나 가했느냐에 따라 변화의 정도가 달라진다는 것을 알 수 있다. 물체에 작용하는 힘이 클수록 속도가 크게 변한다. 따라서 운동량도 크게 변하게 된다.
물체의 운동량을 변화시키는 데는 힘을 작용한 시간 역시 중요하다.
정지해 있는 물체에 짧은 시간이라도 힘을 작용하면 물체의 운동량이 변한다. 그리고 같은 힘을 오랫동안 작용해도 운동량이 크게 변한다. 즉, 힘의 작용 시간이 길어질수록 운동량이 더 크게 변하게 된다.
결국 물체에 작용하는 힘의 크기와 작용 시간이 모두 물체의 운동량을 변화시키는 요인이라는 것을 알 수 있다. 물체에 작용한 힘과 힘을 작용한 시간의 곱을 충격량이라고 한다. 즉 충격량은 물체에 작용하는 힘의 크기와 힘의 작용 시간에 비례한다. 그리고 물체에 충격이 가해지는 동안의 평균적인 힘을 충격력이라고 한다. 충격력은 힘을 나타내며 단위는 힘의 단위인 N을 사용한다.
운동량이 크기와 방향을 가지고 있는 물리량인 것처럼 충격량도 크기와 방향을 갖는 물리량이다. 충격량의 단위는 Ns이다. 
물체에 주어진 충격량은 그 물체에서 일어난 운동량의 변화와 같다는 것을 말해준다. 충격량과 운동량의 관계는 운동량이 변하는 여러 경우를 분석하는 데 크게 도움이 된다. 운동량이 증가하거나 감소하는 경우에 충격량은 어떻게 될까?
물체의 운동량을 증가시키려면 큰 힘을 가능한 오랫동안 작용시켜야 한다. 야구 경기에서 타자가 홈런을 치기 위해서 또 골프선수가 골프공을 멀리 보내기 위해서 가능한 한 스윙을 끝까지 힘차게 하면서 플로우 소묘를 하는 것은 바로 이런 이유이다.
일반적으로 물체에 충격을 줄 때 충격력은 매 순간 변한다. 예를 들어 골프를 칠 때 골프 클럽과 골프공이 접촉하는 순간 골프공이 받는 힘이 순식간에 증가하면서 찌그러지고, 그다음에 골프공은 속력이 빨라지고 모양이 원래대로 펴지면서 골프클럽과 분리되어 공중으로 날아가게 되는 것이다.
달리던 차가 갑자기 고장이 나서 어딘가에 충돌을 할 수밖에 없다면 벽돌담과 건초더미 중에서 어느 쪽으로 충돌해야 할지를 정한다면 이유는 모르지만 피해를 줄이기 위해 당연히 건초더미를 선택할 것이다.
물리 지식이 있으면 푹신푹신한 물체에 충돌하는 것과 딱딱한 물체에 충돌하는 것은 어떻게 다른지 쉽게 알 수 있을 것이다.
자동차가 일정한 속도로 달리다가 건초더미에 충돌하거나 벽돌담에 충돌한 후 정지하게 되었을 때 자동차는 같은 충격량을 받아 운동량이 감소하게 된다. 이때 충격량이 같다는 것은 힘과 시간을 곱한 값이 같다는 것을 의미한다.
자동차가 건초더미와 충돌하면 자동차가 정지할 때까지 걸리는 시간이 길어지고 충격력이 줄어든다. 반대로 벽돌담과 충돌하면 자동차가 정지할 때까지 걸리는 시간이 짧아지고 충격력이 늘어난다. 빠른 속력으로 날아오는 야구공을 맨손으로 잡을 때, 손을 앞으로 쭉 뻗어서 공이 손에 닿는 순간 손을 다시 뒤쪽으로 빼면서 공을 받으면 공이 멈추기까지 걸리는 시간이 길기 때문에 손에 가해지는 충격을 줄일 수 있어서 손이 아프지 않게 공을 받을 수 있다.
높은 곳에서 뛰어내려 본 경험이 있을 것이다. 사람이 높은 곳에서 뛰어내리는 모습을 잘 살펴보면, 무의식적이지만 발이 지면에 닿는 순간 다리를 구부려서 착지하는 것을 볼 수 있다. 다리를 구부려서 착지하면 다리를 곧게 펴서 착지할 때보다 운동량을 감소시키는 시간이 10배 내지 20배 정도로 길어지므로 다리의 뼈에 가해지는 충격력이 10배 내지 20배 정도로 작아진다.
멀리뛰기 선수들이 착지하는 위치에 모래를 두껍게 깔아놓는 이유는 선수의 발과 지면의 충돌 시간을 길게 하여 선수에게 미치는 충격력을 줄이기 위한 것이다.