Clinical Kinesiology and Anatomy: 번역본, 제 7장 기본 생체역학 Part 1

Clinical Kinesiology and Anatomy

By Lynn S. Lippert

 

71쪽에서 77쪽 까지 번역해 올립니다.

 

7장

 

기본 생체역학(basic biomechanics)

 

인체(human body)의 몸은 여러 면에서 살아있는 기계라고 할 수 있다.

인체의 움직임(운동학kinesiology)에 대해 배울 때 움직임을 일으키는

인체에 가해지는 힘에 대해서도 배우는 것이 중요하다.

그림 7-1에서 볼 수 있듯이, 역학(mechanics)은 힘과 그 작용에 의해

생성되는 운동에 대한 연구를 다루는 물리학의 한 분야이다.

생역학은 역학의 원리와 방법을 응용하여 인체의 구조와

기능(function)에 적용하는 것을 포함한다.

 

 제1장에서 언급했듯이, 역학은 두 개의 주요 영역, 즉 정역학(statics)과

힘역학(dynamics)으로 나눌 수 있다.

정역학은 움직임이 없거나 또는 거의 움직임이 없는 

시스템과 관련된 요인을 다룬다.

힘역학은 움직이는 시스템과 관련된 요소들을 포함하며,

동역학(kinetics), 운동학(kinematics)과 으로 나눌 수 있다.

운동학은 운동계의 시간, 공간, 질량(mass)측면을 다루는 반면,

동역학은 운동계의 움직임을 일으키는 힘을 다룬다.

운동학은 골운동학(osteokinematics)과 관절운동학(arthrokinematics)으로

나눈다. 골운동학은 어깨의 굴곡과 신전과 같은 관절 면의

움직임에 관계없이 뼈가 공간에서 움직임 이라는  방식을 다룬다.

관절운동학은 인접한 관절면이 서로 길항적인, 즉, 같은 방향또는

반대 방향으로 이동하는 방식을 다룬다. 이러한 주제에 대한

논의를 시작하기 전에 다양한 역학 용어를 정의해야 한다.

 

힘(force)은 밀거나 당기는 동작이다. 벡터(vector)는 크기와 방향을

모두 가진 양이다. 힘은 벡터이다. 예를 들어, 만약 공을 던진다면, 

공을 특정한 방향으로 그리고 일정한 속도로 던질 것이다.

 

스칼라(scalar) 수량은 크기(magnitude)만 나타낸다.

일반적인 스칼라 수량은 길이(length), 면적(area), 부피(volume),

질량(mass)이다. 일상의 예로는 5 피트, 2 에이커, 12 액체온스,

150 파운드 등이 있다.

질량은 물체가 포함하고 있는 물질의 양을 말한다.

이 예제에서 역학, 생체역학, 정적역학 동역학, 운동학, 골운동학, 

관절운동학의 총량(amount)이다.

그림 7-1) 도표. 역학/생체역학 관계 흐름

 

인체 내부의 물질과 인체를 구성하는 물질이 바로 질량(mass)이다.

관성(inertia)은 속도나 방향에 대한 운동 변화에 저항하는 물질의 성질이다.

질량은 관성의 척도이다. 즉, 운동 변화에 대한 저항이다.

운동학은 운동을 일으키는 원인에 대한 운동에 대한 기술이다.

회전력 or 토크(toque)는 축을 중심으로 회전하는 힘의 경향이다.

마찰력(friction)은 두 표면에 의해 발전되는 힘이며,

이것은 한 표면이 다른 표면에 걸쳐 움직이는 것을 막는 경향이 있다.

예를 들어, 양말을 신은  발바닥과 카펫이 깔린 바닥 사이에

큰 마찰이 있어 미끄러지기 어렵다. 그러나,

양말과 매우 광택이 나는 단단한 나무 바닥 사이에는

상대적으로 마찰이 거의 없다.

속도(velocity)는 속도(speed)를 설명하는 벡터(vector)이며

초당 피트 또는 시간당과 같은 단위로 측정된다.

운동의 법칙 laws of motion

걷는 사람들, 고속도로를 달리는 자동차들, 하늘을 나는 비행기들,

강물을 흐르는 물, 공 던지기 등, 모든사람들의 

움직임이 주변에서 일어나고 있다.

아이작 뉴턴(Isaac Newton) 의 세 가지 법칙은 모든 종류의 운동을 설명한다.

 

뉴턴의 운동 제 1법칙(Newton's first laws of motion)은 정지해 있는

물체는 정지해 있고, 운동하고 있는 물체는 정지 해 있는 경향이 있다고 한다.

관성(inertia)은 물체가 정지해 있거나 움직이는 경향이기 때문에

이 법칙을 관성의 법칙(law of inertia)이라고 부른다.

이 법칙을 증명하기 위해, 차를 타 보면 아는데,

만약 자동차가 출발 위치에서 빠르게 앞으로 움직인다면,

당신의 몸은 좌석의 뒷부분을 밀게 되고 당신의 목은 아마도

과신전(hypertension) 될 것이다.

차가 움직이기 전에 몸은 안정되어 있었고,

차가 움직이기 시작했도 안정되어 있다. 한 번 움직이면

차가 갑자기 멈추면 몸이 앞으로 튕겨지고 목이 심하게

굴곡(flexion)된다. 몸은 움직임이 있기 때문에,

차가 멈추면 계속 움직이는 경향이 있기 때문이다. 불행하게도,

자동차 사고로 인해 목을 다친 많은 사람들이 이 법을 입증했다.

 

힘(force)은 물체의 관성을 극복하고 물체가 움직이거나

멈추거나 방향을 바꾸도록 하기 위해 필요하다.

물체의 가속도(the acceleration of the object)는 가해지는

힘의 세기와 물체의 질량에 따라 달라진다. 예를 들어,

축구공을 차면 축구공이 잔디밭을 따라 굴러갈 것이다.

힘이 작용하지 않으면 공은 영원히 굴러갈 것이다. 하지만,

공에 작용하는 마찰력은 공을 멈추게 한다.

어떤 두 표면 사이에 마찰이 있다. 이 경우, 공이 구르는 것을

멈추게 하는 것은 공 표면의 잔디의 마찰이다.

 

축구공은 뉴턴의 제 2법칙(Newton's second law)을 증명하는데

사용될 수 있다. 먼저, 가볍게 공을 차서 그것이 얼마나 멀리

이동하는지 본다. 그 다음, 첫 번째 킥보다 두 배 정도 세게 공을 찬다.

공이 대략 두 배 정도 멀리 이동한다.

가속은 물체의 속도의 변화이다.

축구공이 움직이기 시작하면 가속도가 붙는다.

만약 당신이 공을 다시 더 세게 찬다면,

그것은 비례적으로 더 멀리 갈 것이다.   

이것이 뉴턴의 운동법칙인 가속의 법칙(the law of avceleration)이다.

가속의 양은 물체에 가해지는 힘의 세기에 따라 달라진다.

가속은 또한 방향의 변화를 감당한다. 방향전환에는

힘이 필요하며, 법칙에 따르면 물체의 방향전환은

물체에 가해지는 힘에 따라 달라진다.

 

뉴턴 제2법칙의 또 다른 부분은 물체의 질량(mass)을 다룬다.

질량은 물체에 있는 물질의 양이다.

가속도는 물체의 질량에 반비례한다. 질량이 다른 두 물체에

동일한 양의 힘을 가하면 질량이 큰 물체는 질량이

작은 물체보다 덜 가속된다. 우리는 처음에는 축구공을 굴리고,

그리고 나서 같은 양의 힘으로 볼링공을 굴림으로써

이것을 증명할 수 있다.

더 무거운 볼링공은 멀리까지 이동하지 않을 것이다.

 

뉴턴의 운동 제 3법칙(Newton's third law of motion)인

작용과 반작용의 법칙(law of action- reaction)은

모든 작용에 대해 같은 힘과    그 힘에 반작용이 있다고 말한다.

반응의 강도(strength)는 항상 작용의 강도와 같으며,

반 방향으로 발생한다.

이것은 트램펄린에서 점프하는 것으로 증명될 수 있다.

작용은 트램펄린에서 뛰어내리는 것이고.

그 반작용은 같은 양의 힘으로 밀어내는 트램펄린이다.

이것은 여러분이 점프했던 반대 방향으로 다시 튀어 오르게 한다.

더 세게 뛸수록 더 높이 튀어 오른다.

설명한 바와 같이 힘이 없으면 어떤 운동도 일어날 수 없다.

인체를 움직이게 하는 힘은 기본적으로 두 가지 유형이 있다.

힘은 근육 수축, 인대 긴장 또는 뼈 지지와 같은 내부적일 수 있다.

힘은 또한 외부적일 수 있는데, 이것은 중력이나 무게, 마찰 등과 같은

외부적으로 적용되는 저항일 수 있다.

 

힘(force)

힘은 모든 사람들이 이해하지만 정의하기 어려운 개념 들 중 하나이다.

힘을 만들기 위해서는 한 물체가 다른 물체에 작용해야 한다.

힘은 압력감을 일으키는 밀고(push) 또는 긴장을 유발하는 당김(pull)이 될 수 있다.

한쪽이 다른 쪽보다 강하게 밀거나 당기면 움직임이 발생한다.

힘은 벡터량이다. 벡터량은 크기(magnitude)와 방향을 모두 기술한다.

밧줄로 무거운 짐을 끄는 사람은 벡터의 한 예가 된다.

밧줄의 장력(tension)은 벡터의 크기를 나타내고,

밧줄의 방향은 벡터의 방향을 나타낸다.

 

벡터 힘은 적절한 길이와 방향의 직선으로 그래픽으로 나타낼 수 있다.

그림 7-2는 보트를 끄는 두 사람(힘)을 나타내지만 서로 직각

이다. 힘의 특징은 다음과 같다.

 

1. 크기(이 경우 각자가 똑같이 당김)

2. 방향(화살표 표시)

3. 적용 지점

 

힘은 그들이 만들어내는 결과로 설명될 수 있다. 둘 이상의 힘이

같은 선을 따라 작용하면 선형력(linear force)이 발생한다.

그림 7-3A는 두 사람이 같은 방향으로 같은 밧줄로 보트를 끌고 있는 모습을 보여준다.

그림 7-3B는 두 사람이 동일한 힘으로 침대의 반대쪽을 밀지만

동일한 선을 따라 밀고 있는 모습을 보여준다. 두 사람이 같은

선을 따라 밀고 있기 때문에 직선적인 힘의 예이지만,

반대 방향으로 같은 힘으로 밀고 있기 때문에 움직임이 일어나지 않는다.

 

평행한 힘(parallel force)은 같은 평면과 같은 방향 또는

반대 방향에서 발생한다.

이 예로는 브레이싱(bracing)의 3점 압력(그림 7-4)을 들 수 있다.

이 경우 두 개의 힘, 즉 X와 Y는 서로 평행하고 같은 방향으로

밀고 있는 반면, 세 번째 평행한 힘인 백 브레이스는 이들을 밀어내고 있다.

이 세 번째 힘은 항상 두 평행한 힘 사이에 위치해야 한다.

효과적이려면 두 힘에 대항할 수 있는 충분한 힘이 있어야 한다.

그림 7-2) 동시력 시스템(concurrent force system).

두 사람이 공통의 적용지점을 통해 서로 다른 각도로 당깁니다.

 

그림 7-5에서 볼 수 있듯이, 또 다른 예는 시소(seesaw) 위에

앉아 있는 두 아이로, 힘은 두 아이이고, 대항력은 가운데 있는

지지봉(support bar)이다. 이러한 반작용력 때문에,

평행한 힘 중 하나가 다른 힘보다 클 때 회전 운동이 발생한다.

 

동시력(concurrent force)을 생산하기 위해서는 두 개 이상의

힘이 공통점에서 작용하되 그림 7-6의 두 사람이 보트를 잡아당기는

것과 같이 서로 다른(다양한) 방향으로 당겨야 한다.

이 두 발산력의 순효과는 결과력(resultant force)이라고 불리며,

그 중간 어딘가에 있다.

 

힘은 벡터이기 때문에, 그들은 평행사변형법이(parallel ogram)라고

불리는 것을 사용하여 그래픽으로 나타낼 수 있다.

그림 7-6을 예로 들어 먼저 두 힘(실선)에 대한 벡터를 그린다.

둘째, 점선을 사용하여 평행사변형을 완성한다.

마지막으로 평행사변형의 대각선(중간선 및 화살표)을 그린다.

이 대각선은 결과력(resulant force)을 나타낸다.

그림 7-3) 선형력(linear force) . (A) 같은 방향으로 당기는 두 사람.

                                          (B) 반대 방향으로 당기는 두 사람.

 

신체에서 발생하는 결과력(resultant force) 예는 삼각근의 전부와 후부이다. (그림 7-7).

두 근육 모두 공통 부착물(정지)을 가지고 있지만 서로 다른 방향으로 잡아당긴다.

두 평행한 힘이 같을 때, 결과력은 어깨를 외전( abduct)하게 한다.

두 힘의 당김이 같지 않은 경우, 즉 전 삼각형의 당김이 후 삼각근보다

더 강한 경우, 그 결과 발생하는 힘은 운동이 전 삼각형의 방향으로

더 많이 이동한다는 것을 보여줄 것이다(그림 7-8).

어깨는 앞으로 구부러지고 대각선 방향으로 움직인다.

 

짝힘(force couple)은 두 힘이 같으나 반대 방향으로 작용하여

회전 효과를 낼 때 발생한다. 예를 들어 손가락(힘 a)과 엄지(힘 b)가

병뚜껑을 연다.(그림 7-9) 오른손에 병뚜껑을 들고,

손가락은 왼쪽으로 이동하고, 엄지손가락은 오른쪽으로 움직인다.

그들은 함께 병뚜껑을 시계 반대 방향으로 움직이거나,

느슨하게 하거나, 또는 나사를 풉니다.

그림 7-3B를 보면,오 만약 오른쪽 사람이 침대 머리 위에서

오른쪽을 향해 움직이고 왼쪽 사람이 침대 위에서

발 왼쪽을 향해 움직인다면 어떻게 될까요?

같은 힘으로 밀어낸다고 가정하면, 힘 커플이 생성되고 침대가 회전한다.

그림 7-4) 인체 브레이스(brace)의 평행한 힘입니다.

힘 x와 y는 같은 방향에서 평행하고 힘 z는 평행하지만

반대 방향이다. 힘은 z는 x와 y 사이에 있어야 안정성을

얻을 수 있다. 만약 force z가 중간이 아닌 어느 한쪽

끝에 있다면, 운동이 일어날 것이다.

그림 7-5) 시소를 타고 있는 두 아이의 평행한

힘이 가운데 반력을 가한다.

그림 7-6) 평행사변형은 두 개의 결과력이

보트를 끌어당기는 힘을 그래픽으로 보여준다.

그림 7-7) 전 및 후방 삼각근과 동일한 힘의 결과.

그림 7-8) 같은 힘의 결과력은 더 강한 힘을 향해 움직인다.

 

토크, 회전력(torque)

토크는 힘의 모멘트라고도 알려져 있으며, 축(axis)을

중심으로 회전하는 힘의 능력이다. 그것은 회전력이라고

생각할 수 있다. 레버가 가지는 토크의 양은 작용하는

힘의 양과 레버가 축으로부터의 거리에 따라 달라진다.

렌치(wrench)를 사용하면 토크가 입증된다.

렌치가 가하는 비틀림 힘(토크)은 다음 중 하나로 증가할 수 있다.

 

1. 손잡이에 가해지는 힘 증가

2. 손잡이 길이 증가

그림 7-9) 뚜껑 열기의 짝힘(force couple)

그림 7-10) 상완이두근의 모멘트암은 근육의 부착점과

관절의 중심 사이의 수직 거리이다.

 

회전력은 또한 회전관절 운동을 유발하기 위해 근육 수축에 필요한 힘의 양이다.

어떤 점(축)에 대한 토크는 힘의 크기(힘의 강도)와 힘의 작용선에서

회전축까지의 수직 거리의 곱과 같다. 수직 거리를 모멘트(moment arm)암

또는 토크암(torquearm)이라고 한다(그림 7-10). 따라서,

근육의 모멘트암은 근육의 당김 선(line of pull)과

관절의 중심 사이(회전 축)의 수직 거리이다. 토크는

당김 각도가 90도(그림 7-11A)일 때 가장 크며,

당김 각도가 감소하거나(그림 7-11B), 해당 수직 위치에서

증가하면 감소한다(그림 7-11C).

힘이 회전축을 통해 정확히 향하면 토크가 생성되지 않는다.

비록 근육에서는 그다지 가능하지 않지만, 매우 가능성이 크다.

예를 들어 팔꿈치가 거의 또는 완전히 신전되었을 때

상완 이두근이 수축하면 토크가 거의 발생하지 않는다(그림 7-11B).

관절 축과 당김선 사이의 수직 거리는 매우 작다. 따라서,

근육에 의해 생성된 힘은 주로 안정적 힘(stabilizing force)이며,

근육에 의해 생성된 거의 모든 힘이 관절로 향하여

두 뼈를 함께 당긴다. 반대로 당김 각도가 90도(그림 7-11A)인 경우,

관절 축과 당김선 사이의 수직 거리는 훨씬 더 크다.

따라서 근육에 의해 생성된 힘은 주로 각도력( angular force)(또는 운동력)이며,

근육에 의해 생성된 힘의 대부분은 관절을 회전시키고 관절을

안정화시키지 않는 방향으로 향한다.

관절 운동 범위(ROM)를 통해 근육이 수축함에 따라 각도력 또는

안정력의 양이 변화한다. 근육이 각도력을 증가시키면

안정력이 저하되고 그 반대도 감소한다.

그림 7-11) 모멘트암이 토크에 미치는 영향 (A) 모멘트암과

각도력은 90도에서 가장 크고

(B) 모멘트암은 관절이 0도 방향으로 이동하면서 안정력이 증가하며

(C) 모멘트암은 관절이 90도 이상 180도 방향으로 이동하면 감소하고

탈구력(dislocationg forces)이 증가할수록 모멘트암은 감소한다.

두 경우 모두 안정력과 탈구력이 증가하면 각도력이 감소한다.

다른 말로 하자면, 근육은 관절이 90도일 때 관절을 움직이거나

회전하는데 가장 효율적이다. 관절 각도가 증가하거나

감소하면 이동 또는 회전의 효율성이 떨어진다.

 

90도 또는 그 범위의 절반에서, 근육은 가장 큰 각도력을 가지고 있다.

90도가 지나면 안정력이 탈구력이 되는데,

이는 힘이 관절에서 멀어지기 때문이다(그림 7-11C).

 

일부 근육은 범위 전체에서 각도력보다 안정력이 훨씬 더 크기

때문에 관절을 움직이는 것보다 안정시키는데 더 효과적이다.

어깨관절의 오구완근(coracobrachialis) 이 좋은 예이다(그림 9-17 참조).

이 근육은 당김 선은 대부분 수직이고 어깨 관절의 축에 꽤 가깝다.

게다가, 매우 짧은 모멘트암을 가지고 있고, 어깨 관절을 굴곡하는 것보다

이 근육을 안정시키는 데 더 효과적이다.

그림 7-12) 슬개골(A)이 있고 슬개골(B)이 없는 대퇴사두근의 모멘트암.

 

대퇴사두근의 각도력은 슬개골의 존재에 의해 증가한다.

힘줄에 캡슐화된 종자뼈(sesamoid bone)인 슬개골은 대퇴사두근의

모멘트암을 증가시켜 근육이 더 큰 각도력을 가질 수 있게 한다(그림 7-12A).

슬개골 없이, 모멘트암은 더 작고 대퇴사두근의 힘의 많은 부분이

다시 관절로 향한다(그림 7-12B). 이것은 안정성에 좋지만,

동작에는 효과적이지 않다. 효과적인 무릎 운동을 위해서는

대퇴사두근이 강한 각력을 제공하는 것이 필수적이다.

요약하면 모멘트암이 더 크면 각력(토크)이 더 커진다.

모멘트암은 회전축(관절축)과 힘의 선(근육의 당김선) 사이의

수직 거리를 측정하여 결정된다. 모멘트암, 근육의 크기,

그리고 근육의 수축력은 모두 근육이 관절 운동을

일으키는 데 얼마나 효과적인지를 결정한다.

 

 

 

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