운동역학 힘의 종류 힘의 영향

운동역학

운동역학(kinetics)은 물체에 대한 힘의 효과를 설명하는 역학의 한 장르이다. 운동역학을 근골격계에 적용하면 생체역학이라 한다. 운동학적 관점에서 힘(force)은 움직임을 만들 수 있거나, 정지시키거나 변화할 수 있는 "밀기(push)나 당김(pull)"이라고 할 수 있다. 따라서 신체의 움직임이나 안전성을 위한 궁극적인 운동력을 제공하게 된다. 뉴턴의 제2법칙에서 설명처럼, 힘(F)의 양은 밀기나 당김을 받는 질량(m)에 그 질량의 가속도(a)를 곱한 결과로써 측정한다. 따라서 F=ma라는 공식을 만들 수 있으며 일정한 질량이 주어졌다면 힘은 그 질량의 가속도에 정비례 관계에 있고 힘을 측정함으로써 가속도를 산출할 수 있거나 가속도를 측정함으로써 힘을 산출할 수 있게 된다. 질량의 가속도가 0일 때 힘은 0이 되고, 힘이 0일 때 질량의 가속도는 0이 된다. 힘의 단위는 뉴턴(newton, N)이다. 1 N = 1 kg ×1m/sec. 뉴턴에 대한 영국식 표기는 파운드(pound, lb)이다.

힘의 종류 : 내적 힘과 외적 힘

몸의 근골격계를 움직이게 하고 안정시키는데 작용하는 본질적인 힘은 편의상 내적 힘과 외적 힘으로 나눈다. 내적 힘(internal force)은 인체 내에 위치된 구조들에서 발생한다. 이 힘들은 능동적인 힘 또는 수동적인 힘이 된다. 능동적인 힘은 근수축에 의해 발생되며 대부분 의지로 조절한다. 반대로 수동적인 힘은 신장된 관절 주변의 결합조직에서 생산된 장력에 의해 대부분 발생하며, 이러한 관절 주변 결합조직은 근육 내 결합조직, 인대, 관절낭이 있다.모든 내적인 힘들 중에서 가장 큰 것은 근육에 의해 생산된 능동적인 힘이다. 외적 힘(external force)은 신체의 외부로부터 작용하는 힘들에 의해 생성된다. 신체분절의 질량을 당기는 중력(gravity) 또는 가방이나 물이 가득 찬 양동이 같은 외적 부하나 대상자의 신체에 물리치료사가 적용하는 신체적 접촉으로 생긴다. 내적인 힘인 근육은 전완을 당기고 있고 외적인 중력의 힘은 전완의 질량 중심에 대해 당기고 있다. 각각의 힘은 벡터를 나타내는 화살표로 설명한다. 생체역학적 분석에 있어 벡터의 방향, 의미, 크기 그리고 작용점을 알고 있어야 한다. 첫째 두 개의 힘 벡터의 방향(direction)은 화살표의 화살대들이 향하는 방위로 표시된다. 둘째 각 힘 벡터의 의미(sense)는 화살표 머리의 방위로 표시 된다. 셋째 각 힘 벡터의 크기(magnitude)는 화살대 길이로 표시된다. 넷째 벡터들의 작용점(point of application)은 신체 부위에 접촉하고 있는 화살표의 출발점이 있는 곳이다.

근골격 조직의 힘의 영향

골격계에 적용되는 힘이나 부하의 방법은 장력, 압박, 굽힘, 전단, 비틀림, 결합된 부하, 무부하 소개된다. 인체를 움직이고 안정시키는 힘은 인체에 변형이나 손상을 줄 수 있는 가능성을 갖고 있다. 건강한 조직들은 그 형체를 변형시키는 부하에 저항할 수 있는 능력이 있다. 예를 들어, 건강한 인대를 신장시키는 장력(tension force)은 신장된 조직 내에서 생성된 내재적 긴장에 의해 저항할 수 있다. 질병이나 손상에 의해 약화된 어떤 조직들은 부하의 작용에 적당히 저항할 수 없게 된다. 예를 들면, 골다공증으로 약화된 대퇴골의 골경부는 낙상의 충격에 대퇴경의 전단 (shearing), 굽힘(bending), 압박(compression)이나 비틀림(torsion)에 의해 골절될 것이다. 부하에 견딜 수 있는 결합조직의 고유능력은 절개된 조직을 변형시키는데 요구되는 힘의 양을 그래프로 나타낼 수 있다. 수직축은 응력(stress)으로 조직이 그 변형에 대해 저항할 때 생성되는 내부저항을 단위면적으로 나누는 것을 나타낸다. 수평축은 변형률 (strain)으로 원래 길이에 대한 변형된 길이의 비율을 의미한다. 물질의 강성(gtiffness)은 탄성 물질에 있어 변형률에 대한 응력의 비율로 나타낸다. 근골격계에서 모든 조직들은 어느 정도의 강성을 나타낸다. 단단함(tightness)은 임상적으로 쓰는데 보통 강성이 비정상으로 높은 병리적 상황이다. 탄성 영역 (elastic zone)에 있어 인대에 적용된 늘어나는 양은 항상 자연적인 움직임 동안 경험하게 된다. 탄성영역 안은 변형을 제공한 힘이 제거되면 조직은 원래의 길이나 형태로 되돌아가게 된다. 탄성영역 면적은 탄성 변형 에너지 (elastic deformation energy)를 나타낸다. 조직을 변형시키는 데 사용된 대부분의 에너지는 힘이 사라질 때 방출된다. 정적인 상황에서 탄성 에너지는 신체를 위한 유용한 일을 할 수 있다. 탄성 영역 범위 내에서 중간정도의 양으로 신장되었을 때, 인대와 근육을 둘러싸는 다른 결합조직들은 중요한 관절의 안정화 기능을 수행한다. 가역성(plasticity) 영역은 신장된 결합조직의 역학적 특성을 가진다. 조직이 극단적이거나 비정상적으로 크게 신장이 계속해서 발생한다면 조직은 거의 한계에 가까운 장력의 증가를 발생시킨다. 이때 인대는 미세파열이 생기고 변형된 상태가 처음으로 돌아가지 않는다. 가역성 변형 에너지는 힘이 방출되었을 때 탄성 변형 에너지와는 다르게 완전히 회복되지 못한다. 신장이 계속됨에 따라 인대는 파열의 초기를 지나 점점 진행하면서 완전히 파열된다. 시간에 따라 변하는 근골격계 조직은 점탄성(viscoelastic)이 고려된다. 점탄성 물질의 특성 중 하나가 크립(creep)이다. 크립은 시간에 대해 일정한 부하가 가해졌을 때 나타나는 물질의 점진적 변형률을 말한다. 크립의 현상은 사람이 왜 저녁보다는 아침에 더 키가 큰가를 설명해 준다. 낮동안에 몸무게의 의해 척추에 가해지는 압박이 추간판 체액을 밀어낸다. 결국 밤동안 잠을 잘 때 체액이 재흡수되어 아침에 키가 크게 된다. 점탄성은 장력이나 압박상태에서 힘의 부하 속도가 빠를수록 탄성범위 내에서 증가한다. 따라서 점탄성 결합조직의 속도에 따른 민감성 특성은 근골격계 내에 주변조직을 보호하게 된다. 예를 들면, 뛰고 있는 동안에 압박의 속도가 증가할수록 슬관절연골은 더 뻣뻣해진다. 증가된 강성(stiffness)에 의해 관절의 힘이 커질수록 관절연골 밑의 뼈는 더 크게 보호를 받는다.