10m 위에 1㎏ 고드름, 바닥 충격력은 1t / 추운 겨울 치명적 사고 위험… 늘 주의해야

“고드름 고드름 수정 고드름~.” 매서운 한파 속에서 곳곳에 매달린 고드름이 옛 동요의 정취를 떠올리게 한다. 공해가 심하지 않던 과거엔 처마 밑 영롱한 고드름을 톡 떼어 입에 넣어보곤 했다. 이렇듯 어린 시절을 떠올리게 하는 고드름이 어떤 이들에게는 힘든 노동의 대상이 된다. 한파가 이어지며 전국 곳곳에서 빌딩이나 아파트 외벽에 생긴 대형 고드름을 제거하는 소방관들의 고투가 한창이다.

고드름은 눈이나 얼음이 햇빛이나 건물의 열에 의해 녹은 후 흘러내리는 과정에서 다시 얼어붙으며 형성된다. 건물 외벽을 따라 수십 미터의 길이로 늘어선 고드름은 치명적인 낙하 사고의 잠재적 요인이다. 러시아에선 겨울철 고드름의 낙하로 매년 수십 명이 사망한다고 한다. 제 무게를 버티지 못해 추락하는 고드름의 낙하운동을 따라가 보자.

5층 빌딩 높이인 10m 위에 달린 1㎏ 질량의 고드름이 떨어진다고 하자. 공기 저항을 무시하면 고드름은 자유낙하운동을 한다. 지구의 인력은 지표면 근처에서 낙하하는 물체의 속도를 일정한 비율로 증가시킨다. 10m 높이에서 낙하하는 고드름은 1.43초 만에 속도가 시속 약 50㎞로 늘어나며 바닥에 부딪힌다. 고드름에 저장돼 있던 위치에너지는 낙하 과정 중 운동에너지로 바뀐다. 부딪히기 직전 고드름이 갖는 운동에너지는 투수가 시속 130㎞로 던지는 야구공의 에너지와 비슷하다.

빠르게 날아온 공을 야구 글러브로 받을 때 손이 충격을 느끼는 것처럼 고드름이 바닥에 부딪히면 양쪽 모두 충격을 받는다. 이때 받는 충격력은 물체의 속도가 충돌시간 동안 얼마나 빨리 바뀌는지에 따라 달라진다. 즉 충격력은 단위 시간 동안 속도의 변화량에 비례한다. 달걀을 바닥과 스티로폼에 떨어뜨리는 두 경우를 비교해 보자. 양쪽 모두 동일 속도를 띠는 충돌 직전의 달걀이 충돌 후 정지 상태로 바뀌므로 속도 변화량은 같다. 그러나 딱딱한 바닥과 달걀 사이의 충돌 시간은 스티로폼과 달걀의 충돌에 비해 매우 짧을 것이다. 이에 단위 시간당 속도 변화량으로 환산하면 바닥에 부딪히는 달걀이 받는 충격력이 훨씬 크다. 이것이 딱딱한 바닥에 부딪힌 달걀이 쉽게 깨지는 이유다. 자동차 에어백이나 충격을 흡수하는 쿠션화는 충돌 시간을 늘려 충격력을 줄이면서 신체나 다리를 보호한다.

시속 50㎞의 고드름이 딱딱한 바닥에 부딪힐 때 예상되는 충돌 시간은 대략 1000분의 1초 정도다. 이로 인해 바닥이 느끼는 충격력은 1t 정도의 물체가 가하는 무게와 맞먹는다. 더 중요한 것은 단위 면적에 가해지는 힘인 압력이다. 책의 면보다 모서리나 꼭짓점으로 피부를 누르면 같은 힘이라도 압력이 더 커지기에 통증도 더 심하다. 고드름이 가하는 충격력이 작은 면적을 통해 전달되면 충돌 부위의 압력은 대단히 높아진다. 사람의 두개골은 이런 높은 압력을 견디지 못해 치명적인 손상을 입는다.

땅값이 비싼 도시에서 인간의 활동영역이 수직으로 확장되는 건 불가피한 선택이다. 뉴스에 심심치 않게 등장하는 낙하 사고는 이런 선택에 동반되는 불가피한 부작용일지 모른다. 빌딩 위 고드름에 저장된 위치에너지가 비극을 초래하는 운동에너지로 바뀌지 않도록 우리 모두의 주의가 필요한 시기다. 한파 속에서 외줄에 매달려 고드름과의 싸움을 벌이는 소방관들의 건투에 경의를 표한다.

고재현 한림대 교수·물리학