달리기의 내적 힘,지면 반발력의 수직힘, 전후와 내외측 힘

달리기를 할 때 발생하는 힘에는 내적 힘과 외적 힘이 있다. 내적 힘은 몸에서 생산되는 힘이다. 주로 근육과 결합조직인 인대와 힘줄에 의해 생산된다. 또한 외적 힘으로 중력이 있다. 중력에 의한 지면 반발력이 생기며 수직힘과 전후 힘, 그리고 내외측 힘으로 분류하여 알아보자.

달리기의 내적 힘 (Internal Forces)

운동을 일으키는 힘에 대한 학문이 운동역학이다. 내적 힘은 몸과 근육, 비활성 조직(인대와 힘줄)에 의해 생산되는 힘이다. 달리기의 목적은 한 지점에서 다른 지점으로 빠르게 움직이는 것이다. 달리기를 포함하여 보행 관련된 요소로 시간과 함께 힘의 요소인 파워를 다룬다. 달리기의 전방 추진을 만드는 힘의 주요 요소는 세 가지가 있다. 첫째, 유각기 말기와 입각기 초기에 작용하는 엉덩관절 폄근이다. 둘째, 발가락 떼기 이후에 작용한 엉덩관절 굽힘근이다. 셋째, 입각기 동안 작용하는 넙다리네 갈래근, 중간볼기근 및 발바닥굽힘근이다. 또한 달리기의 파워를 내는 가장 중요한 근육군은 엉덩관절의 굽힘근과 폄근, 무릎관절의 폄근 및 장딴지근 가자미근이다. 달리기의 특정 시점에 따라 이들 각 근육은 내적 힘으로 파워를 발생한다. 무게중심이 발 뒤쪽에 위치하는 입각기의 초기 동안에는 큰 볼기근(대둔근)과 뒤넙다리근(슬건근)은 몸을 앞쪽으로 추진하기 위해 엉덩관절 폄해야 한다. 일단 무게중심이 발 위에 위치한 후 발을 지나가면, 몸이 계속 전방으로 추진할 수 있도록 넙다리네 갈래근(대퇴사두근)은 무릎관절을 폄하고 장딴지(비복) 근육은 발목을 발바닥굽힘한다. 엉덩관절 외전근 은 골반을 안정화시킴으로써 추가적인 효율성을 만든다. 이 근육군은 골반을 외측으로 상승한다. 엉덩관절 굽힘근은 엉덩관절을 전방으로 가속하여 유각기로 움직인다. 속도가 증가하면 이들 근육군에 의한 파워도 증가한다. 스프링처럼 몸의 추진은 신장반사를 이용하고, 힘줄과 근육이 활성할 때 추가적인 힘을 제공한다. 원심성 활동처럼 근육이 신장할 때, 대부분의 에너지가 힘줄에 의해 저장된다. 신장운동이 반대로 근육힘줄단위가 짧아질 때 힘줄은 작용을 수행한다. 원심성 단계와 에너지 방출 동안에는 잠재적인 에너지 흡수가 일어나며, 이어지는 구심성 단계 동안의 파워로서 작용한다. 근육힘줄단위를 스프링처럼 생각하면 된다. 근육힘줄단위가 신장되면(흡수기 동안의 아킬레스힘줄처럼) 에너지를 얻게 되고, 추진기 동안 발목을 빠르게 발바닥굽힘하는 에너지를 방출할 수 있다. 압축된 스프링과 신장된 힘줄은 모두 에너지를 얻게 되고, 그것들은 강력한 효과를 내기 위해 흡수된 에너지를 방출하여 이용한다.

지면반발력 (Ground Reaction Forces)에서 수직 힘

발이 지면에 닿을 때, 몸은 뉴턴의 운동 3법칙인 모든 작용에는 방향은 반대지만 힘이 동등한 반작용이 일어난다는 작용과 반작용의 법칙을 따른다. 그러므로 발이 지면에 닿을 때, 발이 지면에 가해지는 힘과 동등한 크기의 힘을 뒤쪽으로 밀어낸다. 발이 지면에 닿을 때 가장 큰 힘 성분은 수직의 힘 성분이다. 보행의 초기접지기와 비슷하게, 내측 힘 성분과 전후 힘 성분이 달리기 할 때도 발생한다. 보행할 때보다 달리기를 할 때 상당한 수직의 지면반발력이 생성하는데, 그 이유는 몸이 지면으로 떨어질 때 초기접지기 때 지면과 접촉하는 스프링 형태가 발생하기 때문이다. 입각기의 첫 20% 이내인 초기접지기와 관련된 작은 충격의 힘이 존재한다. 그다음에 크고 긴 충격의 힘이 발생하는데, 이것은 추진기 동안에 일어난다. 추진기(propulsive phase)는 첫 번째 수직 지면반응력보다 더 큰 수직힘을 가진다. 이런 큰 충격의 힘은 흡수기 때보다 추진기 때 발생된 큰 힘에 의해 생성된다. 힘의 크기는 달리기와 보행 사이에 큰 차이가 있다. 보행의 충격 힘은 체중의 1.3-1.5배이지만, 달리기 때의 힘은 2~3배이다. 입각기 동안, 지면은 발을 통해 달리기 주자에게 힘들을 발생 한다. 이러한 지면 반발력들(ground reaction forces, GRFs)은 달리기로 인해 생기는 많은 손상과 연관이 있으며 운동화를 만드는데 제일 중요한 고려사항이 된다. 이러한 힘들은 신체의 질량중심에 대해 작용하며 신체의 질량중심 쪽으로 향한다. 지면반발력(GRFS)은 전통적으로 3개의 직각축에 따라 수직 지면반발력, 전후 지면반발력, 내외측 지면반발력으로 기술된다. 지면반발력들 중 수직 지면반발력이 가장 크며, 한걸음주기의 20% 근처에서 절대정점(overall peak)에 도달하는데 크기가 체중의 약 2.5배나 된다. 능동정점(active peak)이라 불리는 이런 절대정점은 부하반응기의 끝지점과 연관된다. 능동정점의 크기는 신체의 아래쪽 움직임을 감속시키는 지면 때문에 체중을 초과한다. 능동정점 이전에, 체중의 약 1.5배에 해당하는 좀 더 작은 부가적인 정점이 흔히 나타나는데, 이를 충격정점(impact peak)라 한다. 능동정점의 약 60%에 달하는 충격정점은 한걸음 주기의 약 5% 지점에서 일어난다. 충격정점은 하지에서 머리까지인 먼 쪽에서 몸 쪽으로 즉각적인 압박력을 전해준다. 이러한 충격력(impact force)은 발생 속도(부하속도)뿐만 아니라 충격력의 크기로 특징지어진다. 높은 충격력은 정강뼈 및 발허리뼈의 스트레스골절과 같은 달리기 주자들에서의 과사용 손상과 연관된다고 보고 되었다. 하지만 최근 연구는 충격의 최대 크기가 아니라 오히려 부하속도(즉, 수직 힘의 경사도)의 크기라고 제안하고 있다. 일반적인 수직 충격력은 연골과 뼈의 성장을 자극하는 유익한 생리적 효과를 제공한다. 그러나 이러한 힘이 비정상적인 형상의 달리기, 장시간의 달리기, 또는 불충분한 휴식과 같은 부가적인 인자들과 결합될 때 손상을 유발한다.

지면반발력의 전후와 내외측 힘

지면반발력(GRF)의 전후 요소는 수직 요소에 비해 상당히 작다. 입각기의 첫 절반 동안, 전후 지면반발력(GRF)은 제동충격량 (braking impulse)이라 불리는 후방을 향하는 힘이 있다. 이런 후방으로 향하는 힘과 이에 상응하는 충격량은 질량중심을 감속시키고 전방으로의 전진을 느리게 한다. 후방으로 향하는 최대 힘과 제동충격량의 크기는 처음닿기시의 발과 질량중심사이의 수평거리와 달리기 속력에 의해서도 영향을 받는다. 질량중심에 대해 발이 앞쪽으로 더 멀리 있을수록, 제동충격량은 더 커진다. 따라서 달리기 주자들이 제동충격량을 감소시키기 위한 방법으로 처음닿기시 발을 좀 질량중심에 가깝게 위치시킨다. 이렇게 하기 위한 가장 효율적인 방법은 짧아진 한걸음길이(stride length)로 달리는 것이다. 중간디딤기에서는 전방을 향하며 몸이 유각기로 나아가는 추진충격량( propulsive impulse)이 힘을 준다. 평지(0도의 경사)에서 일정한 속도로 달릴 때, 추진충격량은 이론상 제동충격량과 같을 것이다. 가속을 시도하거나 오르막을 달린다면, 추진충격량은 제동충격량을 초과해야만 한다. 신체의 질량중심에 대한 발의 내외측 위치는 내외측 힘의 크기와 방향을 결정한다. 달리는 동안, 양하지지지기(double-limb support)가 없기 때문에 발은 질량중심의 바로 밑에 위치된다. 걷기와 유사하게, 외측으로 향한 지면반발력(GRF)은 초기입각기시 발이 내측으로 움직이는 속도에 저항하기 위해 한걸음주기의 초기 5% 동안 나타나며, 이후 신체 질량중심의 외측에 발이 위치되는 디딤기의 나머지 기간 동안 내측으로 향하는 지면반발력이 나타난다. 좁은 한 발짝 너비는 전력질주를 포함한 빠른 달리기 속력에서 흔히 관찰되다. 발이 질량중심의 밑에 위치될 때 지면반발력의 방향은 입각기 동안 내측외측 사이에서 동요한다. 달리기 동안 지면반발력의 최소화된 측면 움직임은 외측 균형에 대한 능동조절의 요구를 감소시킨다. 달리기 동안의 좁은 한 발짝 너비는 신체 질량중심의 전후 축에 대해 발생하는 토크를 최소화하기 때문에, 토크에 대항하는 근육의 에너지를 감소시킨다.요약하면 신장된 힘줄은 에너지를 흡수하여 강력한 효과를 내기위해 방출한다.달리기의 지면반발력이 수직힘이 체중보다 더 크게 나타나며 전후 힘과 내외측 힘은 에너지소비가 감소하는 방향으로 몸이 움직인다.