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인체의 기계작용
⑴ 인체 지레의 종류
① 1종 지레 : 저항점(저항력)과 힘점(동기력) 사이에 받침점(축) 위치 예) 머리와 목, 삼두박근의 전완신전
② 2종 지레 : 받침점(축)과 힘점(동기력)사이에 저항점(저항력)이 위치 예) 비복근을 이용하여 발 뒤꿈치를 드는 것
③ 3종 지레 : 받침점(축)과 저항점(저항력)사이에 힘점(동기력)이 위치 예) 이두박근의 전완굴곡
c.f. 인체 지레의 대부분은 3종 지레로서 속도를 획득한다.
인체 지레의 종류:1종 지레, 2종 지레, 3종 지레(힘팔,저항팔,축)
1) 생활 밀착형 지레(levers)
무거운 물체를 드는데 그 물체를 직접 들 힘이 부족할 경우 사람은 지레(levers)를 이용합니다. 그리고 아이들이 뛰어노는 놀이터에서도 시소를 볼 수 있는데 시소도 지레의 원리를 이용합니다. 블로그에 다루는 맨몸운동도 저항력을 높이거나 낮추거나 하면서 운동의 강도를 조절하게 되는데 이것도 역시 인체의 관절을 지레로 이용하기 때문입니다. 콜라병 뚜껑을 따기 위한 병따개의 원리도 지레를 이용한 것이고, 낚시대로 물고기를 낚는 것도 지레의 원리이며, 심지어 식사를 할 때 사용하는 젓가락 마저도 지레의 원리를 이용한 것입니다.
시소, 병따개, 낚시, 젓가락, 숟가락, 운동 등등.
이렇게 우리는 일상생활에서 지레의 원리를 통해 역학적 이점을 얻고 있습니다
2) 인체의 지레
지레는 축을 중심으로 회전하는 각운동(회전운동)을 일으키는데 인체의 관절에도 지레(levers)가 있습니다. 근육, 뼈, 관절이 지레 역할을 하며 모든 지레마다 힘 점(force point), 저항 점(resistance point), 축(axis) 이렇게 지레의 3요소가 존재합니다. 우선 뼈를 움직이는 근육(정지부)이 힘 점이 되고, 신체 분절에 가해진 외력의 무게중심이 위치하는 지점이 저항 점, 뼈와 뼈가 접합하는 관절이 축 점이 됩니다.
힘점, 저항점, 축점의 배열에 따라 1종 지레(First-class lever), 2종 지레(second-class lever), 3종 지레(Third-class lever)로 분류가 되며, 신체 관절은 대부분 3종 지레의 형태입니다. 힘 점, 저항 점, 축 점의 위치에 따라 또는 지레의 종류에 따라 힘에서 이득을 보고 거리(또는 범위)와 속도에서 손해를 보는 경우가 있고, 반대로 거리와 속도에서 이득을 보지만 힘에서 손해를 보는 경우가 있습니다.
3) 힘 팔과 저항 팔(force arm, resistance arm)
힘이 작용하는 지점인 힘점(force point)에서 축(axis)까지의 수직거리를 힘 팔(FA: force arm)이라 하고, 저항이 작용하는 지점인 저항점(resistance point)에서 축(axis)까지의 수직거리를 저항 팔(RA: resistance arm)이라 하며, 힘 팔(FA)과 저항 팔(RA)을 통틀어 지레팔(LA: lever arm)이라고 합니다.
좀 전에 힘점과 저항점, 축의 배열에 따라 힘에서 이득을 보지만 거리(또는 범위)와 속도에서 손해를 보는 경우가 있고, 거리와 속도에서 이득을 보지만 힘에서 손해를 보는 경우가 있다고 했습니다. 지레에서 힘 팔(FA)이 저항 팔(RA) 보다 길다면 힘에서 이득을 보게 되는데 쉽게 말하면, 지레는 내가 쓰는 힘보다 더 큰 힘을 제공합니다. 대신 거리와 속도에서 손해를 보기 때문에 물체가 움직이는 것보다 나는 더 많은 범위를 움직여야 합니다. 반대로 힘 팔(FA)이 저항 팔(RA) 보다 짧다면 가벼운 물체를 움직이기 위해 나는 큰 힘을 내야 하기 때문에 힘에서 손해를 보지만 힘에서 입은 손해만큼 속도와 거리(또는 가동범위)에서 이득을 보기 때문에 나는 조금만 움직여도 물체를 더 빨리 멀리 움직이게 할 수 있습니다.
4) 1종 지레(First-class lever)
1종지레는 지레의 양 끝에 힘점과 저항점이 있고, 힘점과 저항점 사이에 축이 위치한 가장 일반적인 지레입니다. 먼저 주위에서 가장 흔하게 볼 수 있는 1종 지레는 가위(또는 벤치, 니퍼) 입니다. 가위의 구조를 보면 손잡이가 힘점이 되고, 가운데가 축, 종이를 자르는 가위의 날이 작용점이 됩니다.
인체의 움직임에서 1종 지레는 뒷 목 관절을 예로 들수 있습니다. 아래 사진에서 머리를 뒤로 젖히기 위해서는 목을 신전 시키는 근육이 두판상근과 경판상근입니다. 목을 신전(뒤로 젖힘) 시키는 근육의 정지부가 힘점이 되고, 목을 앞 뒤로 움직일 수 있도록 두개골과 1번 경추 사이의 관절이 축점, 머리뼈의 앞쪽 부분의 무게가 저항점이 됩니다.
1종 지레는 힘 팔과 저항 팔의 길이가 같은 수도 있고 다를 수도 있습니다. 아까 힘 팔(FA)과 저항 팔(RA)의 길이에 따라 역학적 이점이 다르다고 했듯이 힘 팔이 저항 팔보다 길다면 힘에서 이득을 얻지만 거리와 속도에서 손해를 보고, 힘 팔이 저항 팔보다 짧다면 힘에서 손해를 보지만 힘에서 손해를 본 만큼 거리와 속도에서 이득을 얻게 됩니다. 이밖에 1종 지레의 몇가지 종류로는 저울, 가위, 시소, 쇠지렛대, 손톱깎기 등이 있습니다.
5) 2종 지레(second-class lever)
2종지레는 지레의 양 끝에 축과 힘점이 있고, 축과 힘점 사이에 저항점이 위치합니다. 주위에서 흔히 볼 수 있는 2종 지레는 병따개입니다. 병따개에서 손으로 잡는 부분이 힘점이 되고, 병뚜껑 위에 접촉하는 병따개의 끝이 축, 병따개에서 병뚜껑과 맞물리는 곳이 저항점이 됩니다.
인체의 움직임에서 2종 지레는 발 뒤꿈치를 들어 올리는 카프레이즈로 예를들 수 있습니다. 아래 사진을 보면 바닥과 접촉하는 발 끝 부분이 축점이 되고, 발을 저측굴곡 하는데 작용하는 종아리 근육(비복근, 넙치근, 족척근)이 힘점, 발등 쪽으로 수직으로 내려지는 무게중심선, 즉 인체의 몸무게가 저항점이 됩니다.
지레에서 힘 팔이 저항 팔보다 길면 힘에서 이득을 본다고 했는데, 2종 지레는 힘 팔(FA)이 저항 팔(RA)보다 항상 더 깁니다. 그래서 힘에서 큰 이득을 보게 되지만 반대로 거리(범위)와 속도에서 손해를 봅니다. 즉 나는 힘에서 이득을 보지만 물체를 조금만 움직이려 해도 나는 넓은 범위에 걸쳐 힘을 써야 합니다. 이밖에 2종 지레의 몇가지 종류로는 호두따개, 병따개, 외바퀴 손수레 등이 있습니다.
6) 3종 지레(Third-class lever)
3종 지레는 지레의 양 끝에 축과 저항점이 있고, 가운데에 힘점이 위치합니다. 주위에서 볼 수 있는 3종 지레는 삽 입니다. 삽질을 할 때 양손을 사용하게 됩니다. 삽의 손잡이가 축(F)이 되고, 삽 가운데를 잡는 부분이 힘점(E), 흙을 퍼나르는 쇠부분이 저항점(R)이 됩니다.
인체의 움직임에서 3종 지레는 이두근 운동인 덤벨 컬(Dumbbell curl)로 예를 들수 있습니다. 덤벨 컬은 대표적인 3종 지레로써 아래 사진을 보면 주관절(팔꿉관절)이 축이 되고, 상완 이두근의 정지부(아랫팔 뼈에 부착된 지점)가 힘점, 손에 들려있는 덤벨의 무게가 저항점이 됩니다.
지레에서 힘 팔이 저항 팔보다 짧다면 거리와 속도에서 이득을 보지만 힘에서는 손해를 본다고 했습니다. 3종 지레는 힘 팔이 저항 팔보다 짧기 때문에 항상 힘에서 손해를 보게 됩니다. 하지만 힘에서 손해를 보는 불리한 점은 인체 분절의 더욱 큰 움직임과 속도로 보상하게 됩니다. 쉽게 말하면 저항 팔이 길기 때문에 상완이두근의 작은 수축이 아래팔의 큰 움직임과 빠른 속도를 일으키게 됩니다. 이밖에 3종 지레의 종류 몇가지를 보자면 야구배트, 낚시대, 삽질, 테니스 라켓, 젓가락, 곡괭이 등이 있습니다.
7) 지레의 구분
1종 지레, 2종 지레, 3종 지레 이렇게 지레의 3가지 종류를 쉽게 구분하는 방법은 힘점, 축, 저항점 중에 어느것이 지레 가운데에 위치하느냐로 보면 됩니다. 예를들어 지레 가운데에 축(F)이 위치하면 1종 지레가 됩니다. 가운데에 축이 있으면 양 끝에는 힘점과 저항점이 위치하기 때문입니다. 가운데에 힘점(E)이 위치하면 3종 지레가 됩니다. 가운데에 저항점(R)이 위치하면 2종 지레가 됩니다.
8) 지레의 길이에 따른 이득과 손해
본 게시물에서 지레의 3요소. 힘점, 저항점, 축의 위치 배열에 따라 힘 팔과 저항 팔의 길이가 달라지고, 힘 팔과 저항 팔의 길이에 따라 힘에서 이득을 보지만 거리와 속도에서 손해를 보고, 반대로 거리와 속도에서 이득을 보지만 힘에서 손해를 보는 경우가 있다고 얘기를 했습니다.
아래 1종 지레로 예를들어보겠습니다. 첫번째로 힘이 이득을 보는 경우는 축과 힘점 사이의 거리가 길 경우, 즉 힘 팔의 길이가 길 경우에는 힘에서 이득을 보게 됩니다. 힘의 이득을 본다는 것은 적은 힘으로도 무거운 물체를 들 수 있다는 것입니다. 하지만 힘에서 이득을 본 대신에 거리와 속도에서 손해를 봅니다. 즉 작은 힘으로 눌러도 무거운 물체를 들 수는 있지만 물체를 들기 위해서는 누르는 거리가 길어지고 거리가 길어진 만큼 누르는 속도도 오래 걸립니다.
두번째로 힘에서 손해를 보는 경우는 축과 저항점 까지의 거리가 길 경우 즉, 저항 팔의 길이가 길다면 힘에서는 손해를 봅니다. 여기서 말하는 힘의 손해는 가벼운 물체를 들어도 큰 힘을 내야 한다는 것입니다. 하지만 힘에서 손해를 본 만큼 거리와 속도에서 이득을 보게 됩니다. 가벼운 것을 들기 위해 큰 힘을 내야 하는 불리함이 있지만 누르는 거리와 시간이 짧으며, 아주 약간만 힘을 주어 움직여도 반대편 저항점에 위치한 물건은 같은 시간에 넓은 범위를 빠른 속도로 움직이게 됩니다.
이게 낚시를 할 때 낚시대는 3종 지레로서 힘에서 손해를 보는데도 낚시대를 사용하는 이유입니다. 낚시대를 잡고 있는 손으로 힘을 주어 낚시대를 약간만 움직여도 저항점이 되는 낚시대 끝의 이동범위는 넓고, 그 속도가 빠릅니다. 나는 힘에서는 손해를 보지만 힘점이 위치한 낚시대의 손잡이를 조금만 움직여도 같은 시간에 저항점이 위치하여 낚시줄에 매달린 물고기는 매우 넓은 범위를 빠르게 움직이게 되기 때문에 넓은 범위를 이동한 물고기는 지치게 되는 것입니다. 즉 3종 지레의 원리를 통해 내가(A) 1만큼 움직였을 때, 같은시간의 물고기(B)는 10만큼의 매우 넓은 범위를 움직이게 됩니다.
젓가락도 3종 지레로서 역시 마찬가지 입니다. 힘점이 위치한 손가락을 조금만 움직여도 작용점이 위치한 젓가락의 끝은 넓게 움직이기 때문에 많은 양의 반찬을 자유롭게 집어 먹을 수 있는 것입니다. 만일 젓가락을 짧게 잡는다면 힘에서는 이득을 보겠지만 거리에서 손해를 보기 때문에 예를들어 국수를 먹을 때 많은 양을 집을 수 없을 것입니다.
정리하면, 힘팔(FA)이 저항팔(RA)보다 짧을 경우 힘에서 손해를 보기 때문에 가벼운 물체를 들어도 내가 발휘해야 하는 힘은 커야 하지만 거리에서 이득을 보기 때문에 나는 조금만 움직여도 반대편 물체를 넓은 범위에 걸쳐 빨리 움직이게 할 수 있고, 힘팔(FA)이 저항팔(RA)보다 길 경우 적은 힘으로도 무거운 물체를 움직일 수 있기 때문에 힘에서는 이득을 보지만, 거리에서 손해를 보기 때문에 물체를 조금만 움직이려 해도 나는 넓은 범위에 걸쳐 힘을 써야 합니다.
9) 지레의 길이와 근력과의 관계
아래 덤벨 컬 사진으로 예를 들어보겠습니다. 힘 팔이 저항 팔보다 짧으면 힘에서 손해를 본다고 했습니다. 그리고 덤벨 컬은 3종 지레입니다. 만일 힘팔의 길이가 1unit이고 저항팔의 길이가 10unit, 아랫팔의 무게는 제외하고 덤벨의 무게가 50unit라고 한다면, 저항팔의 길이x저항(덤벨의 무게)= 500unit가 됩니다. 즉 아랫팔을 밑으로 회전 시키려는 토크(회전효과)는 500unit가 됩니다.
그럼 여기서 팔이 펴지지 않도록 하려면 상완이두근에 힘을 줘서 아랫팔을 들어 올려야 합니다. 덤벨의 저항 때문에 아랫팔을 밑으로 회전시키려는 토크 값이 500unit라면, 반대로 아랫팔을 위로 회전 시키려는 토크 값도 500unit이 되야 덤벨을 수평으로 유지하거나 버틸 수 있습니다. 만일 아랫팔을 위로 회전 시키는 토크 값이 500unit 미만이라면 저항 토크 크기에 못미치기 때문에 팔은 점점 밑으로 떨어질 것입니다.
힘(E) x 힘 팔(FA) = 저항(R) x 저항 팔(RA)
[힘 x 힘 팔 = 토크의 크기]는 [저항 x 저항 팔 = 토크의 크기]와 같아야 덤벨을 들 수 있습니다.
[힘 x 힘 팔 = 토크의 크기]가 [저항 x 저항 팔 = 토크의 크기]보다 작다면 덤벨을 들 수 없습니다.
하지만 힘 팔의 길이는 1unit로 굉장히 짧습니다. 그렇다고 뼈에 붙은 힘줄을 떼어내어 힘 팔의 길이를 더 늘리는 수술을 할 수는 없습니다. 힘 팔의 길이는 정해져 있기 때문에 덤벨을 들어올리려면 저항과 맞먹는 토크 값을 생성해야 하기 때문에 상완이두근은 500unit의 힘을 내야 가능합니다. 힘(상완이두근)500unit X 힘 팔1unit = 500unit 즉 상완이두근 혼자서 저항(덤벨의 무게)의 10배가 되는 힘을 내야 덤벨을 밑으로 떨어트리지 않고 수평을 유지하거나 버틸 수 있습니다.
▶힘팔(FA)의 길이가 다를 경우
A와 B라는 사람이 있습니다. 두 사람의 덤벨 무게는 50unit, 저항 팔의 길이는 10unit로 아랫팔을 아래로 회전시키는 토크 값은 500unit로 같습니다. 단 A라는 사람의 힘 팔은 1unit, B라는 사람의 힘 팔은 5unit 이렇게 두 사람의 힘 팔의 길이는 다릅니다. 힘 팔이 길수록 힘에서 이득을 보기 때문에 A보다 힘 팔이 더 긴 B의 상완이두근 힘은 A에 비해 더 적은 힘을 내게 됩니다. 즉 같은 무게를 들어도 A보다 더 적은 힘으로도 들 수 있다는 것입니다.
이것을 다시 말하면 A의 이두근은 500unit의 힘을 내야하고, B는 힘 팔이 더 길기 때문에 100unit의 힘만 내면 합니다. 즉 A는 B보다 5배의 힘을 더 내야 합니다. 같은 무게를 들어도 각자 힘 팔의 길이가 다르기 때문입니다.
▶저항팔(RA)의 길이가 다를 경우
이번엔 저항 팔의 길이로 예를들어 보겠습니다. A와 B의 힘 팔의 길이는 1unit로 같습니다. 덤벨의 무게도 50unit로 같습니다. 단 A의 저항 팔의 길이는 10unit이고, B의 저항 팔 길이는 20unit로 더 길다고 한다면,
두 사람이 같은 무게(50unit)를 들어도 A의 저항 토크 값은 500unit가 되고, B의 저항 토크 값은 1000unit가 됩니다. 그럼 두 사람의 상완이두근은 A는 500unit의 힘을 내야하고, B는 1000unit의 힘을 내야 합니다. 즉 같은 무게를 들어도 두 사람의 저항 팔의 길이가 다르기 때문에 B는 A의 2배가 되는 힘을 더 내야 합니다.
이렇게 같은 무게를 들더라도 힘팔(FA)의 길이에 따라, 저항팔(RA)의 길이에 따라 누구는 상대적으로 힘을 더 내야하고, 누구는 힘을 덜 내게 됩니다. 따라서 신체 분절, 예를들면 팔 길이가 길다면 그만큼 저항팔의 길이가 길기 때문에 팔이 짧은 사람보다 저항 토크가 더 높아 같은 무게를 들어도 팔이 더 긴 사람이 짧은 사람에 비해 더 많은 근력을 요구하게 됩니다. 이것을 다시 말하면 팔 다리가 길수록 가벼운 무게를 움직이는데 큰 힘을 내야 하고, 팔 다리가 짧으면 긴 사람에 비해 힘에서 보는 이득이 더 높아 힘을 덜 내게 됩니다.
10) 신체 길이와 종목
그리고 신체 분절의 길이에 따라 스포츠에서 유리하게 작용하는 종목이 있습니다. 가령 예들들자면 팔 다리가 길거나 체중이 많이 나가는 경우 투척 경기에서 유리하게 작용하고, 팔 다리가 짧거나 체중이 적게 나가는 경우 기계체조에서 유리하게 작용합니다. 예를들어 팔 다리가 긴 사람과 팔 다리가 짧은 사람이 기계체조를 할 경우, 팔 다리가 긴 사람은 짧은 사람보다 그만큼 긴 저항팔을 가지게 되고, 팔 다리가 짧은 사람은 긴 사람보다 짧은 저항 팔을 가지기 때문에 같은 동작을 해도 팔 다리가 긴 사람은 짧은 사람에 비해 더 큰 근력을 발휘해야 합니다. 쉽게 말하면 힘을 더 많이 써야 합니다. 게다가 팔 다리가 짧은 사람보다 몸무게도 더 많이 나간다면 동작에서 발휘해야 하는 힘은 더더욱 커지게 됩니다.
반대로 창던지기를 할 경우, 팔이 길고 몸무게가 무거운 사람은 긴 팔과 질량 이동을 통해 큰 회전관성을 만들어내고, 긴 팔이 넓은 회전반경을 증가 시키기 때문에 창의 투척 속도를 높일 수 있습니다. 물론 팔의 길이와 무게, 창의 무게가 함께 더해져 그만큼 힘에서 손해를 보기 때문에 더 큰 힘을 내야 하지만, 긴 팔 덕분에 창을 던지는 속도를 충분히 가속 시킬 수 있는 유리함이 있습니다. 따라서 같은 무게의 창을 던저도 신체 분절이 짧은 선수에 비해 신체 분절이 긴 선수가 더 멀리 날릴 수 있게 됩니다.
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