보행동안 지면반발력의 수직 힘 전후 힘 내외측 힘

정상보행과 병적보행을 이해하는데 있어 보행 동안 움직임을 일으키는 힘들을 이해하는 것은 중요한 역할을 담당한다. 보행의 운동역학(힘의 연구)은 시각적으로 관찰할 수 없지만,관찰된 운동형상학으로 이러한 운동역학의 원인을 알 수 있다.

지면반발력의 수직방향 힘

보행 동안, 사람이 걸음을 걸을 때마다 발바닥 아래에 적용 되는 힘들이 있다. 발에 의해 지면으로 적용된 힘들을 족력(foot force)들이라 부른다. 지면에 의해 발에 적용된 힘들을 지면(또는 바닥)반발력(ground reaction force)들이라 부른다. 이러한 힘들은 크기는 같으나 방향이 반대이다 (뉴턴의 제3법칙 - 작용과 반작용의 법칙 - 크기는 같고 방향은 반대로 향하고 있는 항상 쌍으로 된 힘들이 존재한다는 법칙). 지면반력들에 대한 설명은 힘을 3개의 직각축인 수직축, 전후축, 그리고 내외축으로 표현하는 데카르트 좌표(Cartesian coordinate system)를 따르게 된다. 세 힘들의 벡터합은 발과 지면 사이에 단일의 합벡터가 생기게 한다. 지면반발력의 수직성분(수직 지면반발력)과 전후성분(전후 지면반발력)을 위해 수행된 이러한 벡터합은 한번의 걸음걸이 동안 일어난 지면반발력들을 독특한 나비꼴의 형상으로 표현하게 된다. 수직 힘들은 지지하고 있는 지면에 대해 수직으로 적용되는 힘들이다. 수직 방향에 있어, 지면반발력들은 보행주기 동안 두 번의 정점을 나타낸다. 체중보다 약간 더 큰 힘을 발생하는 두 번의 지면반발력 정점은 부하반응기와 말기입각기 시점이다. 중간입각기 동안, 지면반발력들은 체중보다 약간 더 낮아진다. 지면반발력이 체중 보다 더 커졌다가 낮아짐으로써 나타나게 되는 이러한 약간의 파동곡선은 신체 질량중심(COM)의 수직 가속도 때문에 나타나는 것이다. (힘은 가속도와 질량과의 상관관계가 있다: F=ma) 부하반응기 시점에서, 신체의 질량중심은 하방으로 움직인다. 따라서, 초기에 신체의 하방움직임을 감속시키다가 이 후에 상방으로 가속시키기 위해 자신의 체중보다 더 큰 수직 지면반발력이 필요하게 된다. 이것은 체중계에서 점프하고 착지하였을 때의 체중을 순간적으로 관찰해 보면 정적인 상태의 체중보다 더 높게 나온다는 것을 알 수 있다. 중간입각기에서의 수직 지면반발력은 입각기 초반부 동안 획득된 신체의 상방운동량에 의해 상대적인 "무게감소 (unweighting)"가 유발되기 때문에 체중보다 적게 나오게 된 다. 말기입각기에서는 저측굴곡근에 의해 발생된 밀기와 말기 입각기에서 전유각기(pre swing)까지 나타나게 되는 신체의 하방 움직임을 저지하기 위해 더 높은 지면반발력이 요구된다.

지면반발력의 전후방향 힘

전후 방향에 있어, 전단력(shear force)들은 지지하고 있는 지면에 대해 평행하게 적용되는 힘들이다. 발뒤꿈치 닿기에서, 지면반발력은 후방에 놓이게 된다(즉, 발은 앞쪽을 향하고 있는 힘을 지면에 가하고 있다). 이 시점에서, 발이 전방으로 미끌어지는 것(어떤 사람이 바나나 껍질 위에서 미끄러져 땅에 넘어지는 만화의 한 장면을 상상하라)을 방지하기 위해 발과 지면 사이에 충분한 마찰력이 있어야 하는데 이때 전후 지면반발력이 마찰력의 역할을 수행한다. 지면반발력들의 크기는 걸음길이가 더 길어짐에 따라 증가하게 된다. 이것은 어떤 사람이 얼음길을 걸을 때 흔히 걸음 길이를 더 짧게 하는 것과 같은 이유인데, 걸음길이를 더 짧게 함으로 마찰력을 감소시킬 수 있다. 말기입각기와 전유각기 동안, 지면반발력은 전방을 향하게 있고, 발은 신체를 전방으로 추진시키기 위해 뒤쪽으로 힘을 지면에 가하고 있다. 전방으로의 추진력은 보행속력과 가속시킬때 달라진다. 전방 추진시 지면과 발 사이에 적절한 마찰력이 발생하게 되지 못하면, 신체를 전방으로 추진시키지 못하고 발이 뒤로 미끄러지게 되는 현상이 발생된다. 최대의 전후 지면반발력은 체중의 약 20% 정도이다. 이러한 전단력들은 신체의 질량중심이 대부분 발의 후방(발뒤꿈치 닿기 시)이나 전방(말기입각기와 전유각기)에 있기 때문이다. 걸음 길이가 길어질수록 전단력은 더 커지는데, 이러한 이유는 하지와 지면 사이의 각이 더 커지기 때문이다. 운동량과 같은 신체의 관성 또한 전후 지면반발력에 기여하게 된다. 발뒤꿈치 닿기에서, 후방으로 향하고 있는 지면반발력은 신체의 전방 진행을 감소시킨다. 이와 반대로, 발가락 떼기에서 지면반발력은 후방을 향하고 있기 때문에 신체는 즉각 전방으로 가속된다. 양하지 지지기에 있어, 한쪽 하지의 추진력과 반대쪽 하지의 제동력이 동시에 적용되고 있음을 기억해야 한다. 일정한 속도로 보행하고 있을 때, 입각기 후반에서 일어난 추진력은 입각기 초반에서 일어난 제동력과 균형을 잡고 있다. 비교적 크기는 같으나 방향은 반대로 있는 이러한 힘들 때문에, 양하지 지지기 동안 한쪽 하지에서 반대쪽 하지로 체중을 전달하더라도 신체는 균형을 유지할 수 있는 것이다. 보행속력을 늦추게 되면 추진력보다 제동력이 더 커지게 되고, 보행속력이 빨라지면 제동력보다 추진력이 더 커 지게 된다.

지면반발력의 내외측방향 힘

내외측 방향에서의 지면반발력 크기는 체중의 5%이하로 비교적 작고 사람에 따라 가변성이 크다. 전후 전단력처럼, 내외 전단력의 크기와 방향은 신체 질량중심의 자세와 발의 위치 사이의 관계에 따라 달라진다. 보행주기의 5~10% 동안, 외측을 향하고 있는 작은 지면반발전단력(ground reaction shear force)은 발뒤꿈치 닿기 에서 나타나는 발의 내측에서 외측으로의 작은 속도를 정지시키기 위해 생산된다. 그러나 나머지 입각기 동안, 신체의 질량중심은 발의 내측에 위치하기 때문에, 발에서 지면으로 적용되고 있는 외측방향의 힘과 이에 따라 발생하게 되는 내측방향의 지면반발력이 유발된다. 입각기 동안 나타나고 있는 이러한 내측방향의 지면반발력은 입각초기에 질량중심의 외측 움직임을 감속시킨다. 그 후 이러한 지면반발력은 반대쪽 하지를 향해 질량중심을 내측으로 가속시키게 되는데, 이러한 것에 의해 반대쪽 하지는 전방으로 나아가서 다음의 발뒤꿈치 닿기를 만들기 위해 준비하게 된다. 보통 내외 지면반발력의 최대 수치가 커질수록, 사람들은 더 넓은 걸음넓이로 있게 되는 것을 흔히 볼 수 있다. 비록 정상적인 보행 동안 내외 지면반력들의 작용이 쉽게 느껴지는 것은 아니지만, 매우 큰 걸음걸이로 걷거나 옆으로 점프를 하게 될 때 이러한 지면반발력들은 쉽게 느낄 수 있다. 마찰에 대한 필요성은 얼음 위를 걷는 사람들을 관찰함으로써 평가 할 수 있게 된다. 얼음 위를 걷고 있는 사람들은 줄 위를 걷고 있는 사람들처럼 걸음폭을 대부분 감소시킨다. 스케이팅 선수들은 그들의 신체를 전방으로 추진시키기 위해 이러한 내외 지면반발력을 사용하게 된다. 이러한 것은 얼음에 스케이트 날을 꽂음으로써 얻을 수 있으며, 추진을 위한 적절한 저항을 제공하게 된다. 이렇게 습득된 적응성은 양발 위에 신체의 질량중심을 유지시킴으로써 내외 지면 반발력을 최소화시켜 마찰에 대한 요구를 최소화시키려 한다. 내용을 요약하면 수직힘의 지면반발력이 체중보다 큰 힘을 발생하는 부하반응기와 말기입각기 시점이다. 전후힘은 양하지 지지기 동안 한쪽 하지는 추진력을, 반대쪽 하지는 제동력을 동시에 적용되고 있다. 내외측 지면반발력의 최대 수치가 커질수록 걸음폭이 넓게 된다.