제 2 장 역학적 원리: 운동역학(mechanical principle ; Kinetics)

[건강한체형]

제 2 장 역학적 원리: 운동역학(mechanical principle ; Kinetics)

1.단원개요

*운동역학(Kinetics): 물체의 운동을 일으키거나 정지시키거나 변화시키는 힘을 연구하는 동역학의 한분야(운동에 관여하는 힘에 대해서만 설명)

1)힘(forces)

**치료적으로 중요한 관심사인 4가지 힘

①중력(gravity): 혹은 신체 각 부분의 무게, 부목, 석고붕대, 식사도구, 책과 같은 부착물의 무게

②근육(muscles): 능동적 수축이나 수동적 신장에 의해서 힘이 발생되고 뼈 위에 작용

③외적저항: 도르레, 손에 의한 저항, 문 창문 등에 의해 인체에 가해지는 저항

④마찰(friction): 적절하면 안정성에 제공하고 너무 심하면 운동을 방해하고 부적절하면 불안정

=>위의 힘들이 인체에 적용되면 관절압박, 관절이간, 인체조직에 압력 같은 이차적인 반응을 나타내게 됨.

(1)힘의 개념

①백터양-*힘은 백터양

: 힘, 모멘트, 속도, 가속도, 무게, 운동량, 충격량, 전기장, 자기장 등과 같이 크기와 방향을 모두 갖고 있는 양

②스칼라양

: 속력, 온도, 부피, 시간, 질량, 밀도, 비중, 에너지, 일, 일률 등과 같이 크기만 있고 방향이라는 요소를 생각할 필요가 없는 양

(2)뉴톤의 운동법칙(Newton's Law of Motion)

=>운동에 관계하는 3가지 기본법칙-평형, 질량과 가속도, 작용ㆍ반작용 법칙

①평형(Equilibrium ; 뉴톤의 제1법칙)-관성의 법칙

ⓐ뉴톤의 제1법칙(관성의 법칙)

:"모든 물체는 외력이 작용하지 않으면 원래의 정지상태나 직선운동을 유지한다"-물체에 작용하는 힘의 합력이 0일 때, 정지하고 있던 물체는 정지한 그래도 머물러 있고, 또 움직이고 있는 물체는 방향의 직선에서 등속운동을 한다.

ⓑ평형상태에서의 물체에 작용하는 힘의 합은 0임.

-ex.아이스링크 위에 놓여 있는 하키 퍽!

ⓒ선운동에서 이 법칙의 적용

환자가 휠체어나 들것에 의해 이동되거나 자동차가 갑자기 멈출 때 목의 편타성 외상(whiplash injury)

:자동차 후미 충돌사고시에 발생되며 지지되지 않은 머리는 그대로 있고 좌석과 몸이 하나가 되어 앞으로 빠르게 밀리기 때문! 목 구조의 갑작스런 신장은 머리와 목을 빠르게 굴곡하게 되어 결과적으로 머리와 목의 전후방 구조에 손상을 주게 됨.

ⓓ관절의 각운동에 평형법칙의 임상적 적용

-보행의 유각기시에 하지에서 발견됨.=>다리를 움직이기 위하여 뿐만 아니라(고관절 굴곡근) 다리를 멈추기 위해서도 힘이 필요함(슬건근).

②질량과 가속도(뉴톤의 제2법칙)

ⓐ뉴톤의 제2법칙

:"물체의 가속도(a)는 물체에 작용하는 합력의 크기(F)에 비례하고 물체의 질량(m)에 반비례한다."즉, a∝ F/m(질량이 큰 물체를 움직이기(정지) 위하여 큰 힘을 필요로 함)

=>F=ma, F=m×v/t, v=s/t, m=s/t2(kgㆍm/sec2=N)

ⓑex.-윗몸 일으키기 동작

ⓒ무게(weight)

=>무게, 가속, 힘, 질량과의 관계 기본 공식; F=ma

=>무게는 질량에 대한 중력 가속도의 효과; W=mg

=>물체의 무게는 지구의 중심에서의 위치관계에 따라 변함, 그러나 질량(관성)은 항상 일정함.

③작용-반작용(뉴톤의 제3법칙)

ⓐ뉴톤의 제3법칙

: "모든 작용력에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용력이 존재한다."

ⓑex.-스케이트를 타는 사람이 고정된 물체를 밀면 사람이 뒤로 밀리게 됨.

(3)힘의 합성

①두 힘이 같은 방향일 때 두 힘의 크기의 합이 합성이 된다.

②같은 양의 두 힘이 반대방향으로 작용하면 두 힘의 합성은 0이 되고 균형을 이룬다.

③서로 다른 크기의 두 힘이 반대방향으로 작용할 때, 두 힘의 크기의 합성은 크기가 큰 방향으로 작용하는데 크기가 큰 힘에서 크기가 작은 힘을 뺀 힘의 크기로 작용하는 힘이다.

④서로 다른 크기의 두 힘이 각을 이룬 방향으로 작용할 때, 두 힘의 평행선을 긋고 각각 이은 선이 만나는 곳과 원점(0)과의 이은 선의 방향과 크기가 힘의 합성이 된다.

⑤힘의 합성에 대한 인체의 예

: 대흉근의 운동은 흉골두와 쇄골두의 힘의 합성으로 이루어짐.

2)지레(Levers)

*지레: 축점에 대하여 강봉을 회전시키는 힘의 원리에 따라 조작되는 기계

*지레에 작용하는 3가지 힘

①축에 작용하는 힘 A ②무게 W(혹은 저항 R) ③지레를 움직이는 힘 F

*무게팔: 축점(회전중심)에서 무게의 작용선까지의 수직거리

*힘팔: 축점에서 힘의 작용선까지의 거리

*지레의 역학적 이점(M.A)의 공식-힘팔 길이와 무게팔 길이의 비와 관계

=>MA = 힘팔 길이/무게팔 길이(MA=F/W)

=>힘팔 길이의 증가 혹은 무게팔(저항팔)길이의 감소는 역학적 이점을 크게 하여 일을 촉진함!

(1)제1형 지레

①지점이 무게와 힘 사이에 있는 지렛대로서 균형(안정)의 이점이 있음.

②MA=1, 균형을 유지함=>안정성, 자세유지에 적용되어짐.

③일상생활에서의 예

: 시소, 가위, 펌프, 못을 뽑는 동작

④인체에서의 예(*인체에서 흔히 균형이나 자세를 유지하기 위해 사용)

-환추후두관절(축) ; 머리(무게)가 목의 신전근의 힘에 의해 균형이 유지

-앉거나 선 자세의 척추간관절 ; 척추 축을 중심으로 체간의 무게는 기립근의 힘에 의해 균형이 유지

-중둔근, 소둔근, 상완삼두근

⑤힘의 3점원리

: -일반적으로 인체의 한 부분을 교정하거나 지지하기 위한 보장구에서 사용되는 지레의 형태를 말함.

-한 점에 압력이 있으면 두점엔 반대 압력이 작용한다.

(2)제2형 지레

①지점(받침점)과 힘 사이에 무게가 있는 지렛대

②적은 힘으로 무거운 물체를 지지하거나 움직일 수 있는 힘의 이점을 가지고 있음

③MA>1, 힘의 이득이 큼=>역학적, 기계적 이점이 크다!

④일상생활에서의 예: 손수레, 사진(종이)절단기, 무거운 물건을 움직이는 경우

⑤인체에서의 예(예가 제한적임)

-gastrocnemius의 MP joint

-상완요골근, 손목관절 신전근: 주관절을 굴곡상태로 유지하기 위하여 작용할 때

(3)제3형 지레

① 인체에서 가장 흔한 유형, 기계적 이득은 최소이나 속력이 제일 빠른 지레

②지점과 무게 사이에 힘이 있는 지렛대

③무게팔의 길이가 항상 힘팔의 길이보다 길다.

(원위분절의 속도를 증가시키거나 가벼운 물체를 원거리로 움직이기에 좋음.)

④역학점 이점: 0.1 혹은 그 이하일 수 있음(MA<1).

⑤R.O.M크게 하거나 speed 얻기 위해 사용

⑥일상생활에서의 예: 핀셋, 쪽가위(모두 받침점을 공유하고 있음).

⑦인체에서의 예(사지의 개방성 운동연쇄 대부분에서 볼 수 있음)

: 관절와상완관절에 삼각근, 지절간관절에 천지굴근, 손목관절에 요수근신근, 발목관절에 전경골근, 주관절에 상완이두근과 상완근

(4)기계적 이득(M.A)과 속력(speed)

①기계적 이득 순서

; 2형 지렛대 >1형 지렛대 >3형 지렛대

②속력 순서: 3형 지렛대 >1형 지렛대 >2형 지렛대

③제1형 지렛대는 균형의 효율이 높음.

(5)정적평형(∑F=0)

: 물체가 움직이지 않을 때 그 물체는 정적평형 상태이고, 가속이 0인 상태임.

3)토크(torque)

(1)토크 : 지레계를 회전시키는 힘의 효과를 표현하는 것

-좋은 예: 문을 열고자 시도하는 것!

(2)토크(T) 혹은 힘의 모멘트 공식

: 힘과 운동축에서 작용선까지의 거리(d)를 곱한 것

=>T= Fㅗd(T=F× sin900)

(3)토크의 원리가 사용

: 치료사가 근력검사(도수 근력검사)를 할 때나 저항운동을 실시할 때 사용됨.

-ex.주관절 굴곡근 근력검사에서 치료사는 저항을 전완의 중간에 가하기 보다 손목부위에 가한다. 각각의 경우에 환자의 주관절 굴곡근에 의해 발생되는 토크값은 같다.

(4)손에 아령을 들고 견관절이 굴곡되어 있을 때 저항에 의해 견관절에 발생되는 토크의 변화

①아령에 의해 발생되는 토크는 손이 몸에서 멀리 떨어져 있을 때 증가

②견관절 90도 굴곡에서 토크값이 최고!!!

③거리가 멀수록 토크값이 커짐.

④근육이 크고, 무게팔이 클수록 힘의 효율이 크다(토크값이 크다).

⑤회선성분이 클수록(90도에 가까울수록) 힘의 효율이 크다.

4)정역학의 임상 적용

(1)무게와 중심

-체중의 작용선은 항상 수직이고, 인체의 중심에 작용함.

-COG(중력 중심)

-LOG(중력선): 중력 중심점을 통과하는 수직선

-안정, 불안정 평형상태일 때 COG 위치 바뀌지 않음.

①안정, 불안정, 중립평형

ⓐ물체의 안정성 정도에 관여하는 4가지 요소

: *기저면(base)위 중심의 높이, *기저면의 크기

*기저면 내에 중력선의 위치, *물체의 무게

ⓑ안정성 평형상태

: 중력 중심이 낮고, 기저면이 넓으며, 물체의 무게가 무겁고, 위치 에너지가 최소인 경우

-**안정성은 중심이 낮고, 기저면이 넓고, 중력선이 기저면의 중심에 놓이고 물체의 무게가 무거울 때 높아짐!!!

ⓒ불안정 평형상태

: 중력 중심이 높고, 기저면이 좁으며, 물체의 무게가 가볍고, 위치 에너지가 최대인 경우

ⓓ중립 평형상태

: 중력 중심이 일직선상에서 이동되는 경우며 위치 에너지도 일정한 경우로, 예를 들면 공이 굴러갈 경우가 됨.

ⓔ인체의 안정성 순서

: 선 자세 <앉은 자세 <누운 자세

②인체의 중심

ⓐ해부학적 자세에서 성인의 중심 => 2번째 천추 약간 전방, 자기 키의 약 55% 지점에 위치

ⓑ인체의 중심(S2)을 통과하는 중력선

=>고관절 뒤, 무릎관절 앞, 발목관절 앞으로 통과함

=>중력선은 외이-축추 치돌기- 경추 중간부- 흉추의 앞부분- 요추의 중간부- 제2천추체의 전면- 고관절 후방- 슬관절 중심전방- 발목관절의 전면(lat. malleolus) 등으로 연결된 선이다.

③기저면

-정적 안정성을 위하여 인체의 중심은 기저면 내에 떨어져야함.

(중심점이 기저면에서 벗어나면 넘어지게 됨=>불안정)

-안정성은 기저면을 넓게 함으로써 증가됨.

-근력이 감소되었거나 협응려이 불량할 때 목발, 지팡이, 보행보조기가 환자의 안정성을 위해 사용

④중심과 분절의 무게

ⓐ물체의 중심은 각 분절의 중심의 합!

-각 분절의 중심과 무게는 임상적으로 인체 한 부분의 견인, 운동부하량의 조절, 균형유지에 유용하게 이용됨.

ⓑ인체 각 부분의 중심위치

-상지의 중심: 주관절 바로 위

-하지의 중심: 슬관절 바로 위

-상완, 전완, 대퇴, 하퇴 각각의 중심: 근위부에서 가까운 곳에 위치

(근위부에서 측정하여 대략 분절 길이의 45%지점)

-머리, 팔, 체간(HAT)의 중심-흉추 11번째 앞쪽 연에 위치, 흉골의 검상돌기 바로 아래에 해당됨.

-고관절에서 HAT의 중심까지의 거리는 체간을 앞으로 숙일수록 증가함.

-HAT중심의 조절은 앉은 자세에서 안정성을 유지 하는데 필연적인 사항~~!!

ⓒ각 분절의 위치변화는 사지의 중심과 인체 전체의 중심 위치를 변화시킴.

ⓓ분절 중심의 이동의 사용

: 흔히 사지의 저항토크(무게 운동축까지의 수직거리)를 변화시키기 위해 치료적 운동에서 사용됨.=> 윗몸 일으키기는 팔이 몸통 옆에 있을 때 가장 쉽다!!

(2)무게와 저항

①"무게의 최대 저항 토크는 사지가 수평을 유지할 때이다."

-이 체위에서 운동축에서 작용선까지의 거리가 최대가 됨.

②무게에 의한 이간성분

-사지에 사용되는 무게: 흔히 관절구조를 견인하는 작용

-주관절이 신전되어 있으면 무게는 전적으로 이간력으로 작용, 회전성분을 가지지 않음=>이 효과를 이용한 예: *Codman의 진자운동

-동통이 없는 범위내에서의 무게의 이간력: R.O.M을 증가시킴.

-어떤 병적 상태에서 무게의 이간력: 관절구조에 통증이나 더 심한 손상을 일으킬 수 있음=>인대손상의 경우 이간력 금기!!!!

③도르레

ⓐ고정 도르레: 힘에 대한 어떠한 역학적 이점 없으며, 단지 힘의 방향만 전환 시킴=> ex.경추견인, 인체(장비골근): (힘의 방향만 변화, 기계적 이득(MA=1)

ⓑ움직 도르레    -  기계적 이득이 높다

: 힘의 역학점 이점이 2이다!!(힘의 방향 전환과 힘의 이득이 있음)

-그러나, 무게를 들어올리기 위해서는 줄은 2배의 거리를 움직여야함.

-즉, 힘에 득을 보는 것은 거리에 손해를 보는 것이다!!

=>ex.인체에서 예는 없지만, 운동기구 사용에 유익~!

ⓒ해부학적 도르레

**도르레 성질을 가지고 있는 인체의 몇몇 구조

: -비골근과 장지굴근건은 다리의 후부를 따라 내려가 외과를 뒤로 돌아 발과 발가락에 정지함

-건은 골 융기부나 연부조직에 의해 그들의 직선 행로가 굴절됨.

**도르레 역할

: 관절축으로부터 건을 들어 올려 근육에 역학적 이점을 제공(힘팔 길이의 증가)

-ex.대퇴사두근과 슬개인대에 있어서 슬관절이 굴곡함으로써 견인방향이 변할 뿐 아니라 슬개골 때문에 힘팔의 길이도 달라짐.

(3)근력과 지레

①근육의 지레요소

: 역학적으로 근육의 작용선(힘의 압력)과 관절중심 사이 수직거리(힘팔 길이)가 길면 그 관절에서 근육에 의해 발생되는 토크가 커지는 원리

-지레의 원리는 운동이 진행됨에 따라 힘팔 길이가 변하는 근육에서는 중요

-근육에서 지레팔의 길이가 변하는 예: 상완이두근(주관절 굴곡근)

-최대근육토크는 지레팔의 길이가 최대일 때 발생됨!!!

(같은 수축력으로도 주관절 90도에서 최고 토크를 발생하게 됨).

②근육의 역작용

-고관절이 굴곡되어 있을 때: 내전근은 고관절 신전근으로 작용(사다리 올라갈 때) 고관절이 신전되어 있을 때: 내전근은 굴곡근으로 작용

-상지에서 손목관절 신전근은 주관절을 지나 상완골의 외과에 붙음.

-주관절이 신전되어 있을 때: 손목관절 신전근은 주관절 축의 뒤로 지나가고, 주관절 신전근으로 작용

-주관절이 굴곡되어 있을 때: 손목관절 신전근은 작용선이 주관절 축의 전방에 놓이고 주관절 굴곡근으로 작용

③근육의 역학적 소실

-근육의 부착부나 작용선은 운동축에 가까이 놓여 있고, 대부분의 건은 뼈에 예각으로 붙는다. 결과적으로 근육은 힘팔의 길이가 짧아 상대적으로 원위부에 작용하는 저항에 비해 역학적 손실이 있음.

-근육은 저항토크를 극복하거나 대응하기 위하여 큰 힘을 발생해야 함.

-손에서 수 미리메터의 힘팔 길이 변화조차도 기능에는 현저한 영향을 주게 됨.

=>ex.흔히 장지신근건이 중수골두 사이 아래로 이동하는 류마토이트 관절염!!

(4)관절력

①평행한 힘계에서 발생되는 관절 압박력도 크지만 근육이 뼈에 직각보다는 예각으로 붙기 때문에 관절 압박력은 훨씬 더 크다.

②효과적인 회전성분을 발생하기 위하여 근육은 상당히 큰 힘을 내야하고, 큰 안정성분을 발생하게 된다.

5)임상적용

(1)신장과 관절가동술

①골절, 외과적 수술 혹은 관절질환 후 운동범위를 증가하기 위한 수동적 신장은 금기!!

②관절가동술

: 이환부의 정상관절운동을 회복하거나 통증을 이완하는데 흔히 사용됨.

(2)압력

①과다한 압력의 영향:염증, 통증, 괴양, 상처, 골절을 포함한 조직 손상을 일으킴.

②치료적으로 압력 감소시키는 방법

: 힘의 크기 감소, 작용부위 분산, 작용시간을 감소시킴!!!!

출처 : 건강한체형운동센터 / 건강한 체형 연구소

[신영길]

물리적인 역학의 법칙이 인체구조에도 다양하게 적용이 되는 것 같습니다.

[건강한체형]

^^ 네 그렇습니다 그러하기에 인간이 몸을 슬때도 역학적인 원리에의해 서야 오랫동안 잘슬수 있습니다 ㅎㅎ