[생체역학] 생체역학의 기초

 

운동 역학

움직임은 삶의 본질이며, 혈액 순환과 근육 수축과 같은 중요한 과정부터 걷기와 말하기와 같은 일상 활동을 포함합니다.

 

역학에서, 운동은 직선 운동과 각 운동으로 분류되며, 종종 걷기와 같은 인간의 행동에서 상호 작용합니다. 운동을 이해하기 위해서는 내부 요소(근육 작용)와 외부 요소(중력)를 모두 검토해야 합니다. 이는 삶의 기본적인 측면입니다.

 

 

힘 (force)

이상적인 힘 벡터는 대상에 작용하는 다양한 힘들의 순효과를 대표하는 단일 힘 벡터를 나타냅니다. 이상적인 힘 벡터를 사용하면 계산이 간소화되며, 부상 분석에서 중력, 충격 및 근육 힘과 같은 다양한 힘이 고려됩니다. 하지만 이러한 힘들을 개별적으로 분석하는 것은 복잡할 수 있습니다.

Enoka (2008) Neuromechanics of Human Movement. Chap 1 Fig 1.13 (clavicular and sternal components of the force and vectorially)

*힘의 쇄골 및 흉골 구성 요소는 벡터 방식으로 추가됩니다.

 

무게 중심CoM (center of mass)

 

질량 중심(CoM)은 몸 전체의 질량을 나타내는 단일한 점이거나 몸의 질량이 균등하게 분산되는 지점입니다. 이는 이상적인 힘 벡터의 질량 등가물이며, 분산된 몸이 움직일 때 정확히 그와 같이 움직입니다. 흥미로운 점은 CoM이 항상 몸 안에 위치하는 것은 아니며, 외부에 위치할 수도 있습니다. 서 있는 자세에서는 일반적으로 몸의 높이에서 55-60% 지점에 위치하며, 배꼽이 CoM과 가까운 곳에 있습니다.

 

자유물체도 (free body diagram)

자유체 다이어그램은 시스템에 작용하는 모든 힘을 시각적으로 나타낸 그림으로, 부상의 생체역학적 분석과 이상적인 힘 벡터를 사용한 모델링에 유용합니다.

 

힘의 모멘트 (moment of force)

힘의 모멘트는 각(angular) 운동에 대한 힘의 동등물로서, M = d × F로 표현되며, SI 단위는 뉴턴-미터(Nm)입니다. 여기서 F는 힘을 나타내고, d는 모멘트 암이며, 토크 암 또는 지레 암으로도 알려져 있습니다. 이는 회전축으로부터 힘의 작용선까지의 수직 거리를 나타냅니다. 세그먼트에 수평으로 힘이 적용되지 않으면 모멘트 암은 회전축과 힘 적용 위치 사이의 거리보다 작아지며, 삼각함수를 사용하여 계산됩니다.

출처: Whiting WC, Zernicke RF (1998) Biomechanics of musculoskeletal injury. Chapter 3 fig 3.11

 

힘의 모멘트를 증가시키기 위해서는 힘의 크기를 증가시키고/또는 모멘트 암의 길이를 늘릴 수 있습니다. 힘이 회전축을 통해 적용될 때 모멘트 힘은 생성되지 않습니다 (M = d × F; d=0이면 M=0), 잠재적으로 조직이 큰 힘에 노출되지만 모멘트가 생성되지 않을 수 있습니다. 예를 들어, 척추에 가해지는 압축력은 회전을 유발하지 않지만 압축성 골절의 높은 위험을 야기할 수 있습니다. 종종, 힘의 구성 요소 중 하나만이 모멘트를 생성하는 데 기여하며, 시스템의 반응은 순수 모멘트에 따라 결정됩니다 (Mnet = M1 + M2).

 

자유체 다이어그램에서 세그먼트 간 경험하는 힘은 실험적으로 측정하기 어렵습니다. 일반적으로 관절에서 다이어그램이 분할되어야 하며, 관절을 통해 작용하는 힘을 보여주어야 합니다. 이는 뉴턴의 제3법칙에 따르는 것입니다. 지면 반응력과 근육-인대-관절캡슐 힘과 같은 다양한 요인이 다이어그램에 영향을 미칩니다.

 

평형은 힘과 모멘트가 균형을 이룰 때 달성되며, 몸이 정지 상태이든 일정한 선형 및 각속도로 이동하든 관계없이 적용됩니다. 압력은 단위 면적당 힘으로 표현되며, 물체가 충돌로 인한 부상을 이해하는 데 중요합니다. 균형을 유지하기 위한 균형 조정은 직립 자세를 유지하는 데 중요하며, 중심 질량(CoM)을 지지 표면 위로 유지하고 그 내부에 위치시키는 것을 목표로 합니다.

 

표면에 작용하는 모든 힘의 평균 위치인 중심 압력(CoP)은 CoM과 다릅니다. CoP의 위치는 발 위치와 신경 근육 반응에 의해 결정되지만, 이는 CoM의 흔들림을 측정하지 않습니다.

 

 

 

ML (Mediolateral) 서있는 균형에서, 질량 중심(CoM)과 순간력의 관계는 AP (앞뒤) 균형과 유사하지만, 두 개의 엉덩이 관절, 두 개의 발목 관절 및 하체에 상대적인 상체 운동으로 인해 5개의 자유도가 있습니다. 상체 운동은 발걸음 폭의 변화에 영향을 받습니다.

 

운동학적으로 발목과 엉덩이 각도는 기계적으로 결합되어 있으며, 발걸음 폭이 넓어질수록 엉덩이 각도 변화가 크게 증가합니다. 엉덩이의 proprioceptor는 운동을 감지할 수 있으며, 이것은 운동의 감소와 관련될 수 있습니다. CoM 이동량은 발걸음 폭이 증가함에 따라 증가합니다. AP 및 ML 균형은 독립적이지 않으며, 발걸음 폭이 넓어질수록 CoM에 대한 효과적인 엉덩이 총 모멘트가 증가합니다. 이와 같은 엉덩이 순간은 네 바 링크의 운동에 더 큰 총 모멘트 을 생성하며, 관성은 감소합니다.