충돌

충돌(衝突)은 서로 다른 두 물체가 운동 경로가 겹칠 때 발생하는 현상이다. 물리학적으로는 우아하게 "두 물체가 4차원 시공간에서 같은 위치를 점유하려 할 때 나타나는 현상"이라고 부르기도 한다.

물리학에서의 기술

충돌 전후의 상대속도의 차로 정의되는 반발계수에 따라서 다음 세 가지로 나뉜다.

핵분열이나, 충돌하는 물체 내에 폭약이 장치되어 있는 등, 예외적인 상황에서는 반발계수가 1을 넘는 경우도 다루기는 하지만, 그런 충돌이 뉴턴역학의 일반적인 관심사는 아니다.

완전 탄성 충돌

반발계수가 1인 경우로, 충돌 이후 에너지까지 보존된다. 일상 생활에선 당구가 완전 탄성 충돌에 가깝다.

비탄성 충돌

반발계수가 0에서 1 사이.

완전 비탄성 충돌

반발계수가 0인 경우로, 충돌 이후 두 물체가 합체하는 경우다. 고무찰흙 두개를 충돌시켰더니 붙어버리는 경우 등을 생각할 수 있다.

운동량 보존의 법칙

물체의 질량 곱하기 속도벡터를 운동량이라고 하는데, 이 운동량의 총합은 이 세상에 있는 그 어떤 충돌의 경우에서도 보존된다. 입자가속기에서 새 입자를 발견하는 원리마저도 바로 이 운동량 보존의 법칙을 활용하는 것이다. 놀랍게도, 광자와 다른 물체 사이의 충돌에서도 운동량 보존이 성립한다.

충격량의 개념과 충돌의 의미 확장

임의의 충돌에서, 그 물체에 매 순간 작용하는 힘을 그 물체가 충돌하면서 겪는 순간순간으로 적분하면 나오는 물리량이 충격량이다. 모든 충돌에서 물체에 작용하는 힘은 서로 정확히 상쇄되는 크기와 방향을 갖고, 같은 충돌에서 물체가 겪는 시간이 다를 수는 (뉴턴역학의 세계에선) 없으므로 임의의 충돌에서 각 물체가 받은 충격량의 합은 언제나 0이다.

이걸 고등학교 이상 과정의 수학으로 재량껏 유도해 보면 운동량 보존의 법칙과 완전히 같은 수식이 나온다.

하지만 잘 생각해보면 충격량의 식은 물체가 힘을 주고받는 어떤 경우에서도 쓸 수 있다! 그렇기 때문에 충돌의 의미를 확장해서 물체가 힘을 주고받는 (=물체끼리의 상호작용이 있는) 모든 상황을 충돌이라고 부르는 경우도 있다. 심지어 우주 탐사선의 스윙바이 궤적 계산을 충돌에 준해서 하는 경우마저 있을 정도다.

문어적 의미와 일상생활에서의 모습

물리학에서는 충돌의 범위가 이렇게 넓지만, 문어적으로는 뭔가가 크게 부딪치는 걸 충돌이라고 부른다. 어떤 집단에서 구성원들끼리 "의견의 충돌"이 있었다고 하면 그걸 좋은 의미로 받아들이는 사람은 거의 없다. 무력 충돌은 아예 물리적인 싸움을 벌였다는 뜻.

추상적인 의미가 아니더라도, 일상생활에서 충돌이란 단어를 쓰는 경우는 거의가 뭔가 크고 안 좋은 경우이다. 보행자와 자동차가 충돌했다고 해보자. 물리학적으로는 사람이 비틀거리다가 길가에 주차되어 있는 자동차에 손이 닿아도 충돌이지만, 듣는 사람들은 백이면 백 교통사고부터 떠올린다.