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역학은 일반적으로 물체의 운동(공간적 위치의 이동)과 그 원인이 되는 힘 사이의 법칙성을 연구하는 물리학의 한 부분이다.
사람의 몸도 물체의 일종이라고 보면 물체의 역학과 같은 운동의 법칙에 따른다.
물체의 역학에서는 다른 물체로부터 힘을 받았을 때,
그 힘과 힘을 받은 물체의 운동과의 관계를 문제로 삼는 데 대하여,
신체 운동역학은 신체 자신이 힘을 내서
스스로 움직이고 또는 다른 물체를 움직이는 데 관심을 가진다.
이러한 몸의 기능은 골격근이 주로 중추신경의 지배 아래에 생화학적 반응을 일으키고,
그 때 발생한 에너지가 관절에 의하여 연결된 골격을 거쳐
스스로 움직이고 다시 다른 물체를 움직이는 기계적 일로 변환된다
따라서 운동역학은 생화학 ·생리학 ·해부학 등과 더불어 신체운동 과학의 기초를 이루며
체육 ·스포츠 ·리허빌리테이션 ·바이오닉스 ·인간공학 등의 넓은 응용분야를 가진다.
운동역학(運動力學, sports biomechanics)과 혼용하여 사용되고 있는
생체역학(生體力學, biomechanics)이라는 용어는 1970년대 후반부터 언급되기 시작하였다.
우리말로는 두 용어 사이의 구분이 명확하지 않으나,
원어를 보면 생체역학 앞에 스포츠가 더 붙어있음을 알 수 있다.
생체역학이란 모든 생물체의 운동에 물리학(物理學, physics)을 적용시켜 연구하는 분야로서
생물체를 뜻하는 Bio(生體)와 힘과 운동을 다루는 물리학의 한 분야인 Mechanics(力學)가 혼합된 용어임을 알 수 있다.
즉 생체역학은 모든 생물체의 운동과 그 운동을 일으키는 힘을 다루는 학문 분야라고 할 수 있다.
이와 같이 생체역학에서 다룰 수 있는 대상이 너무 광범위하므로 인체의 운동, 그 중에서도 스포츠와 관련된 움직임을 전문적으로 다루는 분야를 한정하기 위하여 운동역학이라고 구분하고 있다.
생체역학이라는 용어가 사용되기 전에는 ‘Kinesiology’라는 용어가 대신했었는데,
원래의 의미인 ‘인체기능학(人體技能學, body function studies)’에서 보다 광범위한 ‘운동과학(運動科學, exercise science)’의 의미로 발전하게 되었다.
이와 더불어 체육(體育, physical education)은 1960∼70년대 까지는 교육의 일부분이었지만,
그 후에는 스포츠과학(-科學, sport science)으로 급속도로 발전하면서
인체의 움직임을 과학적으로 연구해서 학문화하려는 움직임이 생기게 되었다.
운동역학과 관련된 용어에는
정역학(靜力學, statics), 동역학(動力學, dynamics), 운동학(運動學, kinematics)
그리고 운동역학(kinetics)이 있다. 이들에 대해서 간단히 살펴보면 다음과 같다.
작용하는 힘들 사이의 관계가 평형을 이룬 상태(ΣF=0, ΣMo=0)를 분석 대상으로 하는 학문 분야이다. 정지해있는 상태에서 작용하는 힘들 간의 관계를 규명하는 학문 분야이기 때문에 아무런 힘이 작용하지 않는 상태라고 생각하기 쉽다.
하지만 정지해 있는 상태에서도 여러 가지 힘들이 균형적으로 작용하고 있다. 때문에 균형을 잡고 있는 상태에서 작용하는 힘들을 분석하기도 하고, 균형을 이루기 위해서 필요한 힘에 대해서 연구하기도 하는 분야이다.
정역학과는 반대로 작용하는 힘들 사이에 평형이 깨진 상태(ΣF≠0, ΣMo≠0)를 분석 대상으로 하는 학문 분야이다. 결국은 인체가 움직이는 동작을 설명하고 그것의 원인에 관심을 두는 학문이라고 할 수 있다.
운동이 일어난 현상을 그대로 기술(describe)하는 학문 분야로서 운동 기술학이라고도 한다.
주요 관심 대상은 위치, 속도, 각도, 각속도 등으로 스포츠 현장의 지도자들과 선수들에게 비교적 빠른 시간에 정보를 제공해 줄 수 있는 분야이기도 하다.
운동을 유발하거나 변화시키는 원인인 힘에 대해서 연구하는 학문 분야이다.
이를 위해서는 우선 작용하는 힘들 사이의 관계를 도식으로 그린 자유물체도(free body diagram)를 그려야 한다. 그 다음에 뉴턴(Isaac Newton)의 제2운동법칙
운동역학의 시작은 고대 그리스 시대까지 거슬러 올라가 아리스토텔레스(Aristoteles)Skarstrom)(1908)의 Kinesiology of the trunk, shoylder, and hip applied to Gymnastics와 보엔(Bowen)과 매켄지(Mckenzie)(1917)의 Applied Anatomy and Kinesiology The Mechanism of Human Movement로 이어지고 있다.
19세기 말과 20세기 초에 걸쳐 보이고 있는 운동역학 분야의 주관심사는 인체의 움직임과 해부학적 기능과의 관계를 기술하는 것이었다.
1930년대에 와서는 고속 촬영기를 이용한 동작분석이 두드러지게 나타났다.
위스콘신 대학의 글라소우(Glassow)가 연속 사진을 관찰하고 측정한 것을 기초로 스포츠 기술을 운동기능학적으로 분석하였다. 1950년대에 나타난 운동역학계의 특징은 기본 저서의 출간, 연구의 다양화, 전자장비 연구도구의 발달에 있다. 이 시기의 연구활동은 연구도구와 방법이 개량되면서 더욱 다양해지고 깊이를 더해갔다.
특히 연구도구 중 전자장비 부분의 발달이 급진되어 ‘활동전류기록’이라 일컫던 EMG 연구에 혁혁한 기여를 한 바스마지안(Basmajian)도 이 시기 중에 연구를 시작했다. 1980년대는 미국에서의 운동역학 발전 경향이 전 세계적으로 급증했다. 이 기간의 연구 동향은 소형컴퓨터 성능의 괄목할만한 신장에 힘입어 다량의 자료를 수집하고 처리하게 된 결과를 포함하는 내용으로 힘의 측정과 고속자료 수집으로 가능하게 된, 여러 동작에 의한 가속도 변화를 해석하는 내용, 시뮬레이션 등이 포함되었다. 영상분석 방법의 프로그램도 개발되어 3차원 DLT 방법이 보급되기 시작하여 특별한 촬영 방법의 제약에서 상당히 벗어나게 되었다.
운동역학의 연구목적은 크게 동작의 효율적 수행을 통한 운동 기술의 향상, 동작 수행시 상해의 원인 규명 및 예방을 통한 안전성 향상, 그리고 위의 두 가지를 고려한 과학적인 스포츠 장비 개발에 있다고 할 수 있다. 이와 같은 연구의 목적을 달성하기 위한 구체적인 연구내용은 다음과 같다.
운동역학적 지식이 가장 광범위하게 적용되는 분야가 운동 기술의 분석이다. 운동역학은 선수 개개인의 동작 분석이나 모델링을 통하여 현재 그 선수가 행하고 있는 동작이 적절하게 행해지고 있는가를 파악할 수 있게 해준다. 이러한 특징을 잘 나타내주는 예의 하나로 던지기 동작을 들 수 있다. 육상 경기에서 실시되는 던지기 종목은 크게 포환던지기, 창던지기, 원반던지기, 해머던지기 등이 있다. 이들 던지기는 던져지는 물체가 각각 다를 뿐만 아니라 최고의 퍼포먼스를 발휘하는데 사용되는 동작도 다르다. 이론적으로 볼 때, 투사각이 45°일 때 투척물이 가장 멀리 날아가지만, 던지기가 지면과 일정한 높이에서 행해지는 경우에는 최적 투사각이 그보다 작게 된다. 또한 투사체가 날아가는 속도와 투사각의 변화에 따라서 투사거리에 영향을 미치기 때문에 이러한 요인들에 대해서도 잘 알아야 한다.
운동역학은 운동선수의 동작을 비디오나 고속 카메라를 이용하여 촬영한 후 분석함으로써 선수가 가지고 있는 동작의 역학적 특성을 알 수 있을 뿐만 아니라 동작 중에 발생하는 오류를 찾아낼 수도 있다. 지도자나 선수는 이러한 정보를 이용하여 경기에서 보다 나은 퍼포먼스를 발휘할 수 있도록 노력해야 한다.
운동기구를 개발할 때에는 대체로 운동수행능력의 증진과 선수의 상해 예방을 동시에 고려하게 된다. 야구 배트, 테니스 라켓, 탁구의 이질 라버의 개발 등은 주로 선수들의 경기력 향상에 목표를 둔 것이며, 미식축구 선수의 헬멧, 태권도 선수의 보호대, 라켓 볼 선수의 눈 보호 안경 등과 같은 보호기구의 개발은 경기력은 물론 상해 예방에 더 큰 비중을 둔 것이다. 운동기구의 개발이나 평가에 있어서 공학적 지식만을 적용하게 되면 장비를 운동선수가 현장에서 직접 사용할 때 불편을 초래하거나 동작 수행에 방해가 될 수도 있다. 이러한 점에서 운동선수, 지도자, 운동역학 전공자가 새롭게 개발된 기구나 장비에 대해 평가할 수 있는 기회를 갖는 것이 필요하다.
운동 기술의 개발이나 운동기구의 평가는 인체나 운동기구의 움직임을 정확하게 분석하지 않고서는 올바르게 할 수가 없다. 인체나 운동기구의 움직임을 바르게 분석하기 위해서는 이미 개발되어 있는 여러 가지 측정 장비를 운동선수가 적절히 응용할 수 있도록 하거나, 새로운 인체 측정 장비를 개발하여야 한다. 그리고 새롭게 개발된 측정 기구로부터 의미 있는 자료를 추출하기까지는 자료가 변화하는 과정을 여러 단계 거치게 되는데, 이때 적절한 조치를 취하지 않으면 원하지 않는 오류가 개입되어 최종 단계에서 얻어진 자료의 신뢰성을 크게 손상시킬 수 있다. 예를 들어 과거에는 인체 동작 분석과 관련된 대부분의 연구에 2차원 영상분석법이 사용되었으나 보다 정확한 자료의 필요성에 따라 3차원 영상분석법이 개발되어 적용되었다. 또한 3차원 영상분석법에서도 자료의 습득과 처리에 발생하는 오류의 크기를 최소화하고, 분석시간을 줄이기 위한 연구가 끊임없이 이루어지고 있는 실정이다.
또 다른 예는 달리기의 계시 방법이다. 달리기의 출발 신호와 계시를 모두 수동으로 사람이 처리할 때, 시간을 측정하는 사람이 화약연기를 보고 그에 반응하여 초시계를 작동시키면 그만큼 부정확한 시간이 측정되며 1/100초를 다투는 경기에서는 그 순위를 육안으로 파악하기가 거의 불가능하다. 따라서 요즘은 중요한 국내외 경기에서의 시간 측정을 전자 장비와 사진 판독으로 처리하는 것이 일반화되어 있다.
분석자의 경험이나 지식 등을 바탕으로 하기 때문에 현장에서 즉각적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 주관적인 판단이 개입됨으로써 선수에게 잘못된 피드백을 제공할 수도 있다. 또한 분석자와 선수 사이의 판단 기준 차이로 인해서 원활한 의사소통이 이루어지지 않을 수도 있다. 결국 정성적 분석에서는 분석자가 동작을 정확히 관찰하고 분석할 수 있는 능력이 중요하며, 어느 정도 객관성이 확보될 수 있어야 한다. 이러한 정성적 분석의 한계를 극복하기 위한 방법으로 비디오와 같은 영상 장비의 사용을 들 수 있다. 최근에 들어서는 현장에서 손쉽게 사용할 수 있는 여러 가지 영상 장비와 분석 프로그램이 개발되어 정성적 분석에 많은 도움을 주고 있다.
정성적 분석과는 달리 객관화된 수치적 자료를 이용하여 동작을 분석하는 방법이다. 인체의 움직임을 과학적으로 이해하기 위해서는 필수적인 방법이지만 자료처리의 시간이 비교적 많이 소모되기 때문에 현장에서 바로 이용하는 데에는 한계가 있다. 최근에는 이러한 자료처리 시간의 한계를 극복하기 위한 여러 방법들이 연구되고 있다. 정량적 분석을 이용한 연구 방법은 크게 영상을 이용한 동작 분석(motion analysis), 운동시 작용하는 힘을 직접 측정하는 힘의 직접 측정, 근육의 활동을 연구하기 위한 근전도(EMG: Electromyography)
동작을 분석할 때는 여러 가지 측정 장비를 이용할 수 있지만 가장 흔히 이용되는 방법이 영상분석이다. 영상분석이란 분석의 대상이 되는 선수의 동작을 필름이나 비디오테이프에 기록한 후, 그 장면을 재생시키면서 분석을 하는데 필요한 자료를 추출하는 모든 과정을 총칭한 용어이다. 전통적으로 16㎜ 필름에 동작을 촬영하여 동작을 분석하고 있으나, 최근에는 비디오 장치를 활용하여 재생까지의 시간을 현저하게 단축시킴으로써 거의 즉시 수행한 동작을 재생하고 분석하여 선수나 지도자에게 동작의 개선점 등을 제공할 수 있게 되었다.
영상분석은 2차원(평면)적인 분석과 3차원(입체)적인 분석 방법이 있다. 동작이 하나의 평면상에서 일어나는 것으로 간주할 수 있는 철봉의 대차륜, 자전거 페달링 시의 다리 동작, 걷는 동작 등은 동작을 필름이나 비디오의 화면에 투영시켜 2차원 자료를 이용하여 분석할 수 있다. 그러나 대부분 인체의 움직임은 공간상에서 매우 복잡하게 일어나므로, 2개 이상의 평면적인 영상 자료로부터 3차원의 공간 좌표를 계산한 후에 이를 이용하여 분석하는 3차원 영상분석 방법을 이용하는 것이 바람직하다.
영상분석 방법에 의해서도 인체에 가해지는 힘을 추정할 수 있지만 그 처리 과정이 복잡하고 오차가 커져서 부정확하므로, 가능하면 인체에 작용하는 힘은 직접 측정하는 것이 바람직하다. 힘은 육안으로 관찰하거나 측정할 수 없으므로 대부분 물체의 늘어나는 정도가 힘에 비례하여 변하고, 이 변화에 비례하여 전기의 세기가 변하는 장치를 이용하여 힘을 측정하게 된다. 이러한 기구의 대표적인 것으로 작용과 반작용의 법칙을 이용한 압력판(force platform)이 있다. 이 장비를 이용하면 걷거나 도약 등과 같은 여러 가지 운동 상황에서 사람이 지면에 가하는 힘의 세기를 직접 측정하여 운동 특성을 분석할 수 있게 된다. 또한 압력판 위에서의 인체의 압력중심에 대한 정보를 이용하여 안정성의 분석에도 이용된다.
힘을 측정할 수 있는 장치인 스트레인 게이지(strain gauge)
대뇌의 운동 영역으로부터 신경을 통하여 전기 충격파로 근육에 전달되는 운동 명령은 근육의 운동 단위에 도달하여 근육을 수축시킬 때 전기적인 파형을 만들어낸다. 이 전기적인 파형은 근수축의 세기와 밀접한 관계가 있으므로, 활동 근육의 종류, 시기, 활동 정도를 직접 측정하는 근전도(EMG) 측정기라는 기구로부터 얻어진 근전도 기록을 분석하여 특정 부위의 근육 내부에서 일어나는 활동을 이해할 수 있다.
• 힘: 운동을 유발하는 원인이다.
• 자유물체도(free body diagram): 작용하는 힘들 사이의 관계를 도식화한 그림이다.
• 지면반력(ground reaction force): 물체가 지구에 가해진 힘에 대한 반작용으로 지구에 의해 발생하는 크기는 동일하고 방향은 반대인 힘을 의미한다.
• 관성(inertia): 물체가 정지 상태를 계속적으로 유지하거나 또는 움직이는 물체가 속도변화 없이 직선으로 계속적으로 움직이려는 경향으로 질량에 비례한다.
• 구심력(centripetal force): 회전하는 물체가 회전축을 향해 작용하는 힘이다.
• 관성모멘트(moment of inertia): 회전 관성 또는 회전 저항과 동일하다. 회전 관성은 회전하는 물체의 질량과 회전축에 대한 분포된 질량의 거리에 따라 다양하다.
• 토크(torque): 회전축으로부터 일정한 거리에서 힘이 작용함으로써 발생하는 회전 효과를 말한다.
• 근력(strength): 저항에 대항하여 힘을 가하는 근육의 능력이다.
• 지레: 축을 중심으로 회전할 수 있는 비교적 단단한 막대로 구성된 단순한 기계이다. 신체의 뼈, 관절, 근육은 함께 지레 시스템으로 작용한다.
• 무게중심(center of gravity): 물체의 질량과 무게가 모든 방향에서 평형을 이루는 지점으로 중력이 집중되는 지점을 의미한다.
• 선운동(liner motion): 물체의 모든 부분이 같은 방향, 같은 속도로 움직이는 운동을 말하는데, 병진운동이라고도 한다.
• 각운동(angular motion): 공중회전, 트위스트, 구르기, 스윙, 삐루엣 등과 같이 순환 또는 회전하는 운동으로 회전운동이라고도 한다.
• 운동량(momentum): 운동의 양을 말한다. ‘물체의 질량×속도’로 계산한다.
• 충격량(impulse): 힘이 작용한 시간과 충돌할 때에 작용한 힘의 곱을 의미한다.
• 마찰(friction): 운동하는 한쪽 표면과 다른 표면 사이에서 반대로 작용하는 힘을 의미한다.
• 항력(drag): 물이나 공기와 같은 유체 속에서 물체의 운동에 상대적으로 저항하는 힘으로 작용하는 방향은 물체의 운동에 반대이다.
• 양력(lift): 유체의 흐름에 수직방향으로 유체 내의 물체에 작용하는 힘이다.
• 일(work): 역학에서의 일은 ‘힘×물체가 이동된 거리’이다.
• 에너지(energy): 일을 수행할 수 있는 능력을 말한다.
• 파워(power): 행하여진 역학적 일의 비율로, ‘힘×물체가 이동한 거리’로 계산한다.
• 스포츠과학자(대학교수, 연구원 등)
• 스포츠교육자(초·중등학교 교사)
• 스포츠지도자(감독, 코치 등)
• 스포츠분석가(프로구단, 실업팀 등)
• 스포츠기자 및 해설가(방송국, 신문사 등)
[네이버 지식백과] 운동역학 [Sports Biomechanics] (학문명백과 : 예술체육, 형설출판사)
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