스크랩 신발속에 숨겨진 운동역학 이야기!!

[교범아빠]

                                                                                          글/박 상균 (한국체육대학교 교수)

바쁜 일상에서도 정기적인 운동을 하고자 하는 현대인들이 많을 것이다. 요즘 공원에서 가벼운 운동복 차림과 함께 편한 운동화를 신고 산책을 하거나 런닝을 하는 사람들을 흔히 보게 된다. 이때 신체에 가장 아래쪽에 위치하면서 몸을 지탱하고 지면과 직접 접하게 되는 신발은 몸을 이동하기 위한 중요한 매개체 역할을 하게 된다. 그렇다면 평상시 신는 신발에 숨겨진 운동역학적인 원리가 무엇인지 알아보도록 하자.

 1. 신발의 쿠션 (CUSHION)

먼저 신발은 신었을 때의 편안함(comfort)과 스포츠 활동에 맞는 기능성(functionality)으로 구분해 보다. 흔히 바닥의 쿠션(cushion) 때문에 푹신푹신하다고 하는 경우가 있는데 과연 역학적으로 설명할 수 있는지 궁금하다. 런닝화 등의 일반적인 운동화는 점탄성 소재(Viscoelastic material)를 중창(midsole)으로 사용한다. 러닝에서 신발의 뒷꿈치가 바닥에 닿았을 때 힘이 신체에 전달되게 된다.

보행에서는 체중에 1.2배의 힘이 신체에 전달되고, 러닝 시에는 속도가 빨라질 수록 3-4배 이상의 힘이 전달된다. 이때 뒷꿈치가 바닥에 닿게 되면 신발의 바닥에 변형(deformation)이 발생한다. 변형(deformation)은 중창에 외부의 부하가 가해지면서 발생하고 부하가 없어지면 원래의 모습으로 돌아오게 된다. 중창은 부하가 전달되는 동안 충격 흡수(shock absorption)의 기능과 함께 에너지의 손실(energy loss)이 발생하게 된다.

      <런닝화의 중창(화살표)/ 런닝 시 신발의 바닥소재로 인한 에너지의 손실 (energy loss)>

그렇다면 너무 푹신한 쿠션을 가진 런닝화의 경우 이러한 에너지의 손실이 상대적으로 높을 것이다. 신체가 이동하면서 신발에 전달되는 에너지를 중창의 점탄성 소재에서 신체가 앞으로 나아갈 때 에너지를 다시 돌려주어야 하는데 이를 에너지의 반환(energy return)이라 한다. 몸에 부하가 지속적으로 전달되는 러닝의 경우 너무 쿠션이 좋으면 운동을 지속하게 되면 에너지가 손실이 높아서 쉽게 피로를 느낄 것이다.

실제로 워킹화에 비해 마라톤화의 경우 중창이 더 딱딱한 경우를 알 수 있다. 아직까지 런닝에서 발이 지면에 접촉하면서 발생하는 일반적인 충격력(impact force)이 관절 상해와 밀접한 관련이 있지 않다고 알려져 있고 오히려 어느 정도의 지속적인 충격이 건강한 뼈를 유지하는데 효과가 있다는 연구결과들이 보고 되어지고 있다.

2. 신발의 기능성 (FUNCTION)

다음은 신발의 기능성(function)에 대해서 알아보자. 스포츠 종목마다 신체의 기능을 최대한 활용하기 위해서 신발이 가진 역할은 중요하리라 생각된다. 잔디 축구경기장에서는 미끄러짐을 방지하기 하고 공을 빠르고 정확하게 다루기 위해 축구화의 바닥에 클리트 (cleat)가 부착되어 있다. 날씨 조건이나 잔디의 종류에 따라서도 클리트의 수와 높이가 다르다.

또한 축구선수의 포지션에 따라서 움직임이 다르기 때문에 이에 적합한 클리트의 모양 등이 고려된다. 주요 축구화 제작 A, N브랜드의 경우 새로운 축구화 클리트 디자인을 위해 로봇을 이용한 마찰력 실험과 실제 축구선수들을 대상으로 운동역학적 실험을 통해서 최고의 경기력을 발휘하기 위한 축구화를 개발한다.

                    <다양한 클리트 형태의 축구화/ 축구화의 마찰력 테스트를 위한 로봇>

100M 스프린팅과 같은 육상 종목에서 힘차게 앞으로 몸을 차고 나가거나 농구 경기에서 리바운드에서 공을 가로채기 위해 높은 점프가 요구 되어진다. 신발이 이러한 종목의 특성을 만족시켜주어야 한다. 그러나 발은 여러 조그만 뼈로 구성된 다분절 시스템으로 다른 하지 관절에 비해서 움직임을 이해하기 어렵다. 역학적으로 발의 중족지절관절 (metatarsophalangeal joint: MTP joint)을 중심으로 전족이 굴곡(flexion)되면서 에너지가 손실된다고 알려졌다. 이러한 손실되는 에너지를 최소화 하기 위해서 A사의 스포츠 브랜드를 중심으로 탄소섬유(carbon fiber) 소재를 판(plate)형태로 인솔(insole) 밑에 삽입하여 스프린팅용 신발과 농구화에 적용하게 되었다.

아래의 그림의 오른쪽에서 제자리 높이 뛰기 시 일반중창을 사용한 경우에 비해 잘 구부러지지 않는 단단한 탄소섬유 중창한 경우 파워의 손실이 급격하게 줄어드는 것 을(500W→150W)알 수 있었다. 100m 스프린팅에서는 2%와 제자리 점프 높이에서는 2.5% (약 2cm)의 기능의 향상을 나타내었다고 한다. 이렇듯 인체가 가지고 있는 특성을 이해하고 신발을 개발한다면 최고의 기능을 발휘할 수 있을 것이다. 

 
 <중족지절관절 (MTP Joint)/ 제자리 높이 뛰기에서 중창의 강성(stiffness)에 따른 파워의 차이>

신발의 기능은 발을 보호하면서도 인체의 움직임을 원활히 하기 위한 외부와의 연결고리 역할을 한다. 신었을 때 편할 뿐만 아니라 목적에 맞는 각각의 기능성에 부합하여야 한다. 또한 내구성이나 통풍 성 등 여러 가지 고려되어야 할 것이다.

근래에는 과도한 발목의 회내 (pronation)을 줄여주어 움직임을 통제하거나 무릎관절에 발생하는 관절의 부하를 적게 발생시키는 런닝화들이 소개되었다. 이러한 여러 노력에도 불구하고 신발의 효과를 과학적으로 규명하기는 쉽지 않을 실정이다. 그러한 이유는 신발 개발자가 인체의 복잡한 해부학적 특징을 고려하면서도 움직임과의 복합적인 연관관계를 이해하여야 하기 때문이다. 인체가 가지고 있는 역학적인 특징을 잘 활용한다면 편안하면서도 스포츠가 요구하는 기능에 맞는 좋은 신발을 만들 수 있을 것이다.

        <런닝시 발목의 후방 각도/ 아웃솔의 뒷꿈치가 이동하여 관절의 부하를 줄여주는 신발>

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