등급(class)를 변경하는 요인
특정 조건에서 근육은 2등급에서 3등급 지렛대로 바뀔 수 있으며,
그 반대도 마찬가지이다. 예를 들어, 상완요골근(brachioradialis)은
전완(foresrm)의 무게가 주된 저항인 2급 지렛대로 묘사되어 왔다.
전완의 무게는 그림 7-29B와 같이 축(팔꿈치)과 힘(원위 근육 부착)
사이에 위치한다. 그러나 손에 체중을 실으면 그 무게가 저항이 되어 힘(근육)보다
축에서 더 멀리 위치하게 된다(그림 7-30). 따라서,
상완요골근은 이제 3등급 지렛대로 작동한다.
중력에 대한 움직임의 방향은 지렛대 등급에 영향을 미치는 또 다른 요인이다.
예를 들어, 그림 7-31A에 표시된 상완이두근은 팔꿈치를 굴곡(flexion)하기위해
동심원적(concentric)으로 수축하기 때문에 3등급 레버이다.
근육은 힘이고 전완은 저항력이다.
힘은 축과 저항 사이에 있으므로 3등급 레버이다. 손에 체중을 실어도
여전히 3등급 레버이다. 그러나 근육이 원심적(eccentric)으로
수축하면 2등급 지렛대가 된다. 뭐가 달라진거죠?
그림 7-30) 무게가 손에 놓일 때, 상완요골근은 3등급 지렛대가 된다.
팔꿈치가 신전하여 중력의 당김과 같은 방향으로 움직이면
상완이두근이 원심적으로 수축하여 중력의 당김이 느려진다.
중력과 전완의 당김이 힘이 든다. 상완이두근은 전완의 신전을
느리게 하는 저항력이 된다.(그림 7-31B). 이제 힘과 축 사이의 중간에 있는 저항으로,
상완이두근은 2급 지렛대가 된다.
기계적 이점
지렛대와 기타 기계의 또 다른 중요한 특징은 힘 암(forcearm)과 저항암(resistancearm)
사이의 비율로 정의되는 기계적 이점(mechanical adventsge)이다. 지렛대의 기계적
이점(MA)은 힘암(forcearm)의 길이를 저항암의 길이로 나누어 결정한다(MA = FA÷ RA).
힘암(FA)이 저항암보다 클 때 2등급 지렛대가 있는 저항암(RA)에서는
기계적 이점(MA)이 1보다 크다. 예를 들어,
힘암이 2피트이고 저항 암이 1피트인 경우, 기계적 이점은 다음과 같다.
MA = FA÷RA MA =1÷ 2 MA = 1/2
즉, 힘암의 길이가 저항암의 두 배임을 의미한다. 따라서,
그것은 두 배의 토크(회전력)를 가지고 있다. 그러나 힘암이 3등급
지렛대와 같이 더 짧고(1피트) 저항 암이 더 긴 경우(2피트)
기계적 이점은 다음과 같다.
MA= FA÷ RA MA=1÷ 2 MA= 1/2
즉, 힘암은 저항암 길이의 절반을 가진다. 따라서,
그것은 절반의 토크(회전력)를 가지고 있다.
간단한 기계에서 항상 옳은 것은 힘을 얻을 시 거리를 잃는 것이고,
그 반대도 마찬가지이다. 다시 말해서, 더 적은 힘(1보다 큰 기계적 이점)을
사용하여 물체를 이동하려면 힘 암(force arm)이
더 먼 거리를 이동해야 한다.
반대로, 더 많은 힘을 사용하여(1보다 작은 기계적 이점) 힘암을
더 짧은 거리를 이동해야 한다. 기계적 이점이 1과 같다면,
힘 암과 저항 암은 동일하고 시스템은 1등급 지렛대와
같이 균형을 이룰 것이다.
그림 7-31) (A) 상완 이두근은 동심원적 수축 시
3등급 지렛대이고, 원심원적 수축 시 2등급 지렛대이다.
그림 7-32) (A) 짧은 힘암은 더 많은 힘을 필요로 한다
(B) 긴 힘 암은 짧은 힘 암보다 더 적은 힘을 필요로 한다.
엄밀히 말하면, 여기에 표시된 RA와 FA는 힘의 선과 저항선이
모두 수직인 경우에만 정확하다. 그러나 여기서 중요한 것은
긴 힘 암과 짧은 힘 암의 장점이다.
치료적인 운동의 한 예는 환자가 무릎을 신전하고 있는 동안 환자의
하퇴부에 힘을 가하는 것이다. 손을 원위(말단)에 대 근위(머리쪽)에
대는 경우 부위의 힘이 덜 든다(그림 7-32). 이 경우 축(A)은 무릎관절이고,
저항(R)은 대퇴사두근의 정지이고, 힘(F)은 하퇴에 둔 당신의 손이다.
그림 7-32A에서 저항암은 2인치이고 힘암은 4인치이다.
기계적 이점은 다음과 같이 계산할 수 있다.
MA = FA ÷ RA MA = 4 ÷ 2 MA= 5
그림 7-32B에서 RA는 2인치이고 FA는 10인치입니다.
기계적 이점은 다음과 같이 계산된다.
MA= FA÷ RA MA= 10÷ 2 MA= 5
간단히 말해서, 기계적 이점이 더 클 때 움직임을 유발하기
위해 더 적은 힘이 필요하다.
힘 암과 저항 암의 길이가 같고 힘과 저항의 양이 같으면 시스템이
균형을 이루며 움직임이 발생하지 않는다.
시소 예를 사용하여, 어린이 A와 어린이 B가 각각 40파운드이고,
둘 다 크로스바에서 5피트 떨어진 곳에 앉아 있다면, 시소는 균형을 이룰 것이다. 어린이 A가 크로스바에 한 발 더 가까이 이동하면 시스템이 더 이상 균형을 이루지 못한다.
어린이 A는 위로, 어린이 B는 아래로 내려간다(그림 7-33).
어린이 A는 시소의 균형을 다시 맞추기 위해 무게를 더하거나
(더 많은 힘을 가하거나) 뒤로 이동해야 한다.
힘 암이 더 길고 저항 암이 더 짧을 경우 움직임을 유발하기 위해 필요한
힘이 더 적다는 것을 기억하세요.
이 개념을 손수레에 적용한다(그림 7-34).
벽돌 하중을 휠 축에 더 가깝게(1피트) 배치하거나 더 멀리(2피트)
배치하는 것은 어떤 차이가 있습니까? 힘 암(핸들에 손을 얹는 위치)은
동일하게 유지되지만(3피트) 저항 암의 길이는 변경된다.
벽돌을 바퀴로부터 멀리 배치하면 길어지고(그림 7-34A),
벽돌을 바퀴에 가깝게 배치하면 짧아진다(그림 7-34B).
더 긴 저항 암이 있는 경우 더 많은 힘이 필요하다. 반대로,
더 짧은 저항 암이 있을 때, 더 적은 힘이 필요하다.
다른 예로는 들어올리거나 운반하는 것이 있다(그림 7-35).
당신의 몸으로부터 박스를 2 인치 또는 당신의 몸으로부터
10인치를 떨어져 들거나 운반한다면 어느 쪽이 덜
에너지를 소비할까? 정답은 2인치이다.
박스를 몸에서 10인치 떨어진 곳에 고정하면 저항 암이
더 길어지므로 박스의 저항을 극복하려면 더 많은 힘이 필요하다.
재활치료에서 지렛대의 기계적 이점을 활용하는 방법이 많이 있다.
지렛대의 중요성은 에너지를 절약하거나 힘이 제한될 때
작업을 가능하게 하는 것 등에서 볼 수 있다.
요약하자면, 저항을 가능한 한 축에 가깝게 하고,
힘을 가능한 한 축에서 멀리 떨어지게 할 경우 힘이 덜 필요하다.
그림 7-33) (A) 지렛대암이 같을때, 시스템은 균형을 이룬다.
(B) 힘암은 짧다. 시스템 균형을 위해 힘암은
더 체중(힘)과 길어져 힘암에 추가해야 한다.
그림 7-34) A. 짧은 저항암은 힘을 더 필요하고,
축에 가까운 전방의 벽돌 적재. B. 짧아진 저항암
그림 7-35) A. 짧은 저항암, (A) 몸 가까이에 박스를
옮길 때 적은 힘을 요구한다.
도르레(pully)
도르레는 도르레에 로프나 케이블을 타고 축을 회전시키는
홈이 있는 바퀴로 구성되어 있다(그림 7-36).
도르레의 목적은 힘의 방향을 바꾸는 것이다.
힘의 크기를 증가시키거나 감소시킨다.
고정 도르레는 기둥에 부착된 간단한 도르레이다.
도르레(축)의 한쪽에 F가 있고 다른 한쪽에 R이 있는
1등급 지렛대 역할을 한다. 방향을 바꾸는 데만 사용된다.
이에 대한 임상적 예는 오버헤드 및 벽 도르레(그림 7-37)와
가정용 경추 견인 장치 모두에서 찾을 수 있다.
인체에서, 비골의 외과(복사뼈)는 장비골근의 힘줄의 도르레
역할을 하며 당기는 방향을 변화시킨다(그림 7-38).
그림 7-36) 도르레 체계
그림 7-37) 고정된 도르레. 방향을 바꾸는 목적이다.
이동 가능한 도르레는 로프의 한쪽 끝이 벽에 부착된 다음
로프가 도르레를 통해 힘이 가해지는 다른 쪽 끝으로 이동한다.
하중(저항)은 이동식 풀리에 매달려 있다(그림 7-39).
하중은 도르레의 양쪽에 있는 로프의 두 부분(segment)에
의해 지지되므로 기계적 이점은 2이다.
힘을 얻는 양이 두 배로 증가했기 때문에 하중을 들어 올리는 데
필요한 힘은 절반에 불과할 것이다. 하중을 들어 올리는 데
필요한 힘은 절반에 불과하지만,
로프는 두 배나 더 멀리 당겨야 한다.
다시 말해서, 힘으로 얻은 것은 거리를 잃는다.
이동가능한 도르레의 예는 인체에서 찾아볼 수 없다.
그림 7-38) 장비골근은 당기는 방향을 바꿀 수 있게 하고,
외과는 도르레로 작용한다.
바퀴와 축
바퀴와 축은 인체에서 발견되는 일반적이지 않지만 간단한 기계이다.
그것은 사실 변장한 지렛대이다.
바퀴와 축은 다음과 같이 구성된다.
축에 부착되어 함께 회전하는 바퀴 또는 크랭크 전형적으로
가해지는 힘을 증가시키기 위해 사용된다. 큰 반지름(바퀴)을
도는 것은 적은 힘을 필요로 하는 반면 작은 반지름(축)을 도는 것은
더 큰 힘을 필요로 한다. 바퀴와 축의 예로는 수도꼭지 손잡이가 있다(그림 7-40).
핸들은 바퀴이고 기둥은 축이다. 수도꼭지를 돌리는 것은 어느 정도의 힘을
필요로 한다. 그러나 핸들을 분리하면 축 남게 된다(그림 7-41B 참조).
그림 7-39) 이동식 도르레는 거리를 소비면에서
힘을 위한 기계적 이점을 가진다.
그것을 돌려보세요. 그러면 여러분은 그것을 돌리려면 훨씬
더 많은 힘이 필요하다는 것을 깨닫게 될것이다. 간단히 말해서,
축에 대한 바퀴가 클수록 물체를 더 쉽게 회전시킬 수 있다.
이를 기계적 이점(MA)이라고 한다.
바퀴 및 축의 기계적 이점 계산은 지렛대와
기본적으로 동일하지만
일부 용어만 다르다. 바퀴와 축의 기계적 이점은 바퀴의
반지름을 축의 반지름으로 나누어 계산한다(그림 7-41).
MA = 바퀴의 반지름 ÷ 축의 반지름
따라서 손잡이가 있는 수도꼭지와 손잡이가 없는 수도꼭지 사이의
기계적 이점을 계산하는 방법은 다음과 같다.
MA(핸들 포함) = 바퀴의 반지름 ÷ 축의 반지름
MA = 2인치 ÷ 1/8인치 = 1
MA(핸들 없음)는바퀴와 축의 반지름이 동일한 경우이므로 계산은 다음과 같다.
MA=1/8인치 ÷ 1/8인치 = 1
따라서 기계적 이점이 더 크므로 핸들을 돌리기가 더 쉽지만
핸들을 더 멀리 돌려야 한다.
여러분이 수도꼭지 손잡이를 쉽게 돌릴 수 없게 손에 심각한
관절염을 앓고 있는 사람을 치료하고 있다고 가정해보자.
손잡이를 긴 지렛대 형태의 손잡이(그림 7-42)로 교체하더라도
바퀴와 축은 그대로 유지된다. 바퀴의 나머지 부분이 빠진
상태에서 바퀴에 대해 한 마디 한 것처럼 3인치 핸들을 시각화한다.
기계적 이점은 다음과 같이 계산된다.
MA= 3인치÷ 1/8인치=24
그림 7-40) 핸들의 손잡이는 축과 바퀴이다
그림 7-41) 바퀴의 반지름을 축의 반지름으로
나눈 값이 기계적 이점을 결정한다.
그림 7-42) 큰 반지름은 바퀴를 돌리기 위해 힘이 덜 든다.
그림 7-43) 축과 바퀴의 역할으로써 상지
수도꼭지 손잡이는 기계적 이점이 더 크기 때문에 돌리기가 훨씬
더 쉬울 것이다. 수도꼭지의 손잡이가 길수록 돌리기가 더 쉽다.
핸들을 돌리는 것이 더 쉽지만 핸들을 더 멀리 돌려야 한다는 것을 명심하세요
인체 내 바퀴 및 축의 예를 들어 환자에게 수동 어깨 회전을 수행해보세요
상부 시야에서 어깨를 내려다보면 가장 잘 보일 수 있다(그림 7-43).
어깨 관절은 축의 역할을 하고 전완은 바퀴의 역할을 합니다.
팔꿈치가 굴곡되면 바퀴가 축보다 훨씬 길기 때문에 회전하기가 훨씬 쉬워진다.
경사면 inclined plane
인체에는 경사면의 예가 없지만 휠체어 접근성의 개념은 종종
이러한 유형의 단순한 기계에 의존한다.
경사면은 경사지는 평평한 표면이다. 그것은 적은 노력으로 늘어난
거리를 교환한다. 휠체어 경사로의 길이가 길수록 휠체어가 이동해야
하는 거리는 커지지만 의자를 경사로 위로 밀어 올리는
데 필요한 노력은 줄어든다.
예를 들어, 현관이 지면에서 2피트이고 경사로가 24피트인 경우,
휠체어를 상당히 긴 경사로 위로 밀어 올리는 것이 상당히 쉬울 것이다(그림 7-44A).
만약 경사로가 12피트 밖에 되지 않는다면, 훨씬 더 가파르게 될 것이다.
사람은 휠체어를 멀리까지 추진하지 않아도 되지만, 그렇게 하기
위해 더 많은 힘을 사용해야 한다(그림 7-44B).
간단한 기계의 기본 법칙의 반복: 힘을 얻으면 거리를 잃는다.
그림 7-44) 휠체어 램프로서의 경사면.
경사로(A)가 길수록 특정 높이에 도달하는 데 필요한
힘은 적지만 거리는 더 커진다. 경사로 (B)가 짧을수록 동일한 높이에
도달하려면 더 많은 힘이 필요하지만 더 적은 거리가 필요하다.
기억해야 할 점
힘의 효과는 선형, 병렬 또는 동시일 수 있습니다.
• 힘의 결합은 힘이 함께 작용하지만 같은 운동을 제공하기 위해 반대 방향으로 작용할 때 발생합니다.
• 스칼라 양은 크기를 나타내는 반면, 벡터는 방향을 포함한다.
• 힘은 안정화, 각도 또는 전위력일 수 있다.
• 중력은 모든 물체에 영향을 미친다.
-안정성은 개체의 COG, LOG 및 BOS에 의해 영향을 받습니다.
- 세 가지 등급의 레버는 축, 힘, 저항의 관계에 따라 목적과 기계적 이점이 다릅니다.
- FA 또는 RA의 길이를 변경하면 이동이 더 쉬워지거나 어려워집니다.
- 인체에 고정된 도르래는 근육의 힘의 방향을 바꾼다.
• 휠과 액슬은 레버와 마찬가지로 힘을 증가시킬 수 있습니다.
- 기울어진 평면은 증가된 거리를 교환하여 힘을 줄일 수 있습니다.
교육 & 관리 문의: TEC 남태열 01038616051
.