무게와 중력 중심 지지기저면 지레와 근육 활동

무게와 중력 중심(Weight and Center Of Gravity)

체중의 작용선은 항상 수직이고 인체의 중심에 작용한다. 중심은 물체를 구성하는 모든 입자들이 평형을 유지하는 인체의 한 점으로 정의한다. 이 점에 인체를 매달게 되면 인체는 완전히 균형을 유지한다. 인체는 전 질량이 이 중심에 작용하는 것처럼 반응한다.

안정(Stable) 된 평형상태는 물체의 중심 위치가 변할 때 물체가 원래 위치로 되돌아가려는 경향이 있을 때 그 물체를 말한다. 예를 들어 벽돌의 한쪽을 약간 들어 올린다거나 흔들의자에 앉아 있는 사람을 밀거나 할 때 볼 수 있다. 중심이 원래의 위치로 돌아가지 않고 다른 새로운 위치를 찾는다면 그 물체를 불안정( Unstable)한 평형 상태라 한다. 좁은 기저를 가진 의자에 앉아 있는 사람이 몸을 앞으로 숙일 때 일어나는 것이 예가 된다.중립평형(Neutral Equilibrium)이란 사람이 휠체어를 타고 가거나 볼이 굴러가는 것 같은 상태를 말한다. 중심의 위치가 이동될 때 일정한 높이가 유지된다. 즉 넘어지지도 원래의 위치로 되돌아가지도 않는다. 물체의 안정성 정도는 4가지 요소로 1) 기저면(base) 위 중심의 높이, 2) 기저면의 크기(size), 3) 기저면 내에 중력선(gravity line)의 위치, 4) 물체의 무게(weight)이다. 안정성은 중심이 낮고, 기저면이 넓고, 중력선이 기저면의 중심에 있다. 물체의 무게가 무거울 때 안정성이 증가한다. 미식축구에서 라인맨(Lineman)의 자세나 체구가 크기 때문에 상대방의 미는 힘에 대한 저항과 안정성을 높여준다. 반대로 미식축구의 라인배커(Linebacker) 선수의 자세나 움직임은 중심이 높고 기저면이 좁고 체중이 가벼워서 불안정성이 촉진된다. 철제 빔이나 자동차 바퀴 같은 고형체 중심(COG)의 개념은 시각화하기가 쉽다. 그러나 인체는 매우 불규칙한 여러 분절로 구성되어 있다. 분절의 위치가 변하면 전체적으로 인체의 중심도 변한다. 근약증이 있는 환자는 중력선이 기저면의 바깥으로 이동하면 순식간에 넘어진다. 임상적으로 운동 촉진, 부하량 조절, 균형유지, 넘어지는 것을 방지하려면 중력이 인체의 어느 부위에 어떻게 작용하는가를 아는 것은 대단히 중요하다. 성인의 중심은 해부학적 자세에서 2번째 천추 약간 전방, 자기 키의 약 55% 지점에 위치한다. 중심은 일반적으로 상전장골극 높이 근처에 표시된다. 체중분포에 따라 이 점의 위치는 달라진다. 보통 여자에서보다 남자에서 약간 높게 위치한다. 왜냐하면 남자는 어깨가 (상체크기) 넓고 여자는 둔부가(하체크기) 크기 때문이다. 무릎관절 위를 절단한 환자는 중심의 위치가 높아질 것이고 휠체어를 탈 때 발판(footrest) 위에 무게를 올려놓지 않으면 불안정한 평형상태가 될 것이다. 해부학적 자세를 기준으로 모든 자세 변화는 중심을 이동시킨다. 만약 팔을 가슴에 팔짱을 낀다거나 머리 위로 들어 올리면 중심은 머리 쪽으로 높아진다. 머리 체간 고관절을 굴곡하면 중심은 발 쪽으로 낮아진다. 인간은 중심의 위치가 높아지는 선 자세에서 불안정한 평형상태에 놓인다. 그러므로 인체를 두 발로 걷기 시작할 때 힘이 적게 든다. 몸이 앞으로 넘어지려 할 때 중심 아래에 새로운 지지면 (유각기 하지에 의해)을 형성함으로써 방지된다. 따라서 보행은 중심이 수시로 변하고 회복하는 연속적인 과정으로 기술될 수 있다. 몸의 균형유지나 조절능력이 불확실할 때 많은 에너지가 필요하고 균형을 유지하기 위해 스스로 중심을 낮추는 경향이 있다. 예를 들어 스키 초보자들은 앞으로 숙이기보다 뒤로 주저앉는다. 어두운 곳이나 낯선 곳을 걷는 사람은 불안정하거나 놀란 환자들처럼 무릎과 고관절을 굴곡하는 경향이 있다.

지지기저면(Base of Support)

중력은 힘 벡터이기 때문에, 적용된 운동 축(중심)과 함께, 치수(크기)와 방향을 가지고 있어야 한다. 치수(dimension) 또는 크기는 신체나 분절의 무게이다. 중력은 언제나 질량중심(COM)으로부터 지구 중심을 향하여 수직 방향으로 잡아당긴다. 이 힘의 선을 중력선(line of gravity: LOG)이라 한다. 물체는 중력선이 지지기저면의 중심을 통과할 때 안정해진다. 지지기저면(base of support: BOS)은 신체의 접촉면 내에 있는 면적이며 지지를 위해 의지하고 있는 어떤 물체의 면적이다. 보다 큰 지지기저면은 보다 안정적이며 지지기저면 밖으로 중력중심(COG)을 이동시킬 때 많은 운동이 필요하게 된다. 예를 들어, 어깨너비 만큼 발을 벌리고 서 있다면, 지지기저면은 양발 사이에 있는 바닥의 면적이다. 부목을 한 환자가 이동을 위해 목발을 사용한다면 환자는 보다 안정적이게 된다. 왜냐하면 환자의 지지기저면에 발 사이의 면적이 포함되고 목 발의 접촉점, 발과 목발 사이의 바닥 면까지도 지지기저면에 포함되어 더욱 넓어지기 때문이다. 반대로, 한 다리로 서는 것은 매우 어려운 일이다. 그것은 지지기저면이 작을 뿐만 아니라, 적은 운동만으로도 질량중심이 지지기저면 밖으로 쉽게 이동되기 때문이다. 작은 지지기저면은 신체의 안정성을 떨어뜨린다. 이것은 두 다리로 서는 것보다 한 다리로 서는 것이 힘든 하나의 이유이다. 질량중심(COM)이 지지기저면(BOS) 밖으로 떨어진다면 신체는 불안정해진다. 지지기저면이 신체 아래로 움직이거나 신체의 위치를 유지하기 위해 중력을 극복할 수 있는 힘이 존재하지 않는 한 물체는 넘어지게 된다. 외력이 외측 방향으로부터 전달될 때, 지지기저면 위에 중력선(LOG)과 중력중심(COG)을 유지하는 것은 매우 어렵다. 만약 앞, 뒤 방향에서 오는 힘을 예측한다면, 힘이 오는 방향에 대해 한쪽 발은 앞으로 다른 한쪽 발은 뒤에 위치시켜 지지기저면 내에 질량중심을 유지할 수 있는 보다 좋은 자세를 취할 것이다. 일상생활에서 복잡한 버스나 기차에 서 있다면, 한 발은 버스의 앞쪽에 다른 한 발은 뒤쪽에 놓을 것이다. 왜냐하면 그 방향은 버스가 서고 출발하는 힘의 방향이기 때문이다. 넓은 지지기저면은 때로는 스포츠 선수에게 이득이 될 때와 손해가 될 때가 있다. 예를 들어, 레슬링 선수 역시 상대 선수에게 내동댕이 처지지 않기 위해 지지기저면을 넓게 할 것이다. 또한 무거운 바벨을 머리 위로 들어 올리는 역도선수는 무게를 머리 위에 정지시키고 지지기저면 내에 바벨을 유지하기 위해 필요한 안정성을 제공하기 위해 지지기저면을 넓게 해야 한다. 반대로 배구선수는 매우 빠르게 지지기저면 밖으로 이동하기 때문에 넓은 기저면이 필요하지 않다. 배구선수는 움직임이 어느 방향에서든 빠르게 일어나야만 하기 때문에 항상 준비되어 있어야 한다. 이런 선수에게 넓은 지지기저면은 안정한 시간이 길어지며, 공에 대한 반응을 지연시킨다.

지레와 근육 활동(Levers and Muscle Activity)

인체의 지레는 역학적 이득이 저항팔에 있고 대부분 3형이다. 원하는 움직임을 하려면 근육은 저항력보다 큰 힘을 생산해야 한다. 근원적으로 근육의 지레팔, 또는 모멘트팔의 길이가 근육에 대항하는 힘의 모멘트팔 또는 저항팔의 길이보다 짧다. 따라서 근육은 저항력보다 훨씬 과도한 힘을 발생시켜야 한다. 상완이두근(위팔두갈래근)을 예로 들어보자. 이 근육은 주관절(팔꿉관절)에 아주 가깝게 전완에 부착되어 있다. 그러나 전완의 손과 질량중심은 팔꿉관절에서 상완이두근의 닿는 점보다 훨씬 멀리 전완의 먼 쪽에 위치한다. 따라서 상완이두근(위팔두갈래근)은 전완과 손의 무게를 들어 올리기 위해 전완의 먼 쪽에 부착되어 있을 때 보다 훨씬 과도한 힘을 생산해야 한다. 임상가는 이런 개념을 이익으로 활용해야 한다. 임상가는 작은 힘의 맨손 저항을 분절 먼쪽 끝부분에 적용하여 환자가 운동 중에 더 많은 근력을 만들게 한다. 또한 이 개념은 운동 자체의 큰 변화 없이 운동량을 변경할 수 있다. 예를 들어, 환자가 고관절 굴곡근의 근력 부족으로 다리를 똑바로 올리기(SLR)의 실행이 불가능할 때, 환자에게 무릎을 구부리라고 지시하여 저항팔의 길이를 짧게 만들어 줌으로써 운동 실행이 가능하게 할 수 있다. 따라서 환자의 근력이 증가하면 환자의 다리를 폄으로써 저항을 증가시키면 된다. 비록 인체의 지레가 근육에서 큰 힘을 요구할지라도, 3형 지레는 활동 중에 매우 큰 운동의 양을 제공한다. 상완이두근은 비록 힘에 대한 이득을 가지지 못할지라도, 적은 운동으로 주관절의 큰 운동을 가능하게 한다. 이것은 상완이두근 자체는 많이 짧아지지 않아도 큰 운동호를 만들 수 있다는 것이다. 한 줄로 선 어린아이들이 동일한 각변위와 각속도로 원을 따라 이동할 때, 아이들 각자가 가지는 선형속도와 변위는 매우 다르다. 축에 가까운 아이들은 선형 움직임 작다. 운동의 축으로부터 먼 아이들은 중심축에 있는 아이들의 각변위와 속도에 맞추기 위해 매우 빠르게 움직여야만 한다. 따라서 인체에 형성된 지레는 힘보다 운동의 속도에 더 많은 관심을 만든다. 테니스 라켓,야구배트, 골프클럽, 노(paddle)와 같은 도구를 팔의 먼쪽에서 잡을 때 운동 속도는 부가적인 힘으로 전환된다. 공 던지기는 팔에서 힘이 가동범위를 크게 하고 운동 속도를 증가시키는 것의 예이다. 다리(Leg)는 축구공차기, 미식축구, 또는 달리기가 해당된다. 분절의 길이 증가와 각속도 증가를 위해 테니스라켓과 같은 도구가 사용된다면 증가된 지레팔(라켓)의 길이와 증가된 각운동 속도에 의해 테니스 공은 더 멀리 더 빠르게 날아갈 것이다.