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달리기와 질주의 생역학(3):보행의 운동학 |
운동형상학과 달리 운동학은 관절운동과 관련된 힘의 연구를 포함해야 한다. 여기에는 지면반응력, 근육건성 및 인대력, 관절 모멘트, 관절 파워들이 포함된다. 운동학의 연구는 우리가 관찰하는 움직임이 어떻게, 왜 일어나는가에 대한 답에서 시작한다.
바닥에 깐 힘측정판을 통해 지면 반응력이 측정되고, 운동현상학과 결부시키면 관절 모멘트와 관절파워가 계산된다. 이 계산에 사용되는 수학적 방법은 반역학이다.
이런 개념을 더 잘 이해하기 위해서는 몇 가지 단어에 대한 정의가 필요하다. 회전축에서 일정 거리에 작용하는 어떤 힘때문에 모멘트는 몸을 회전시키는 원인이 될 수 있다. 힘의 모멘트(M)는 힘의 산물(F)에 거리(d)를 곱한 것으로 뉴톤-미터(Newton-meter)법으로
M = F x d로 나타낸다.
거리(d)는 지렛대로 불리며, 균형이 잡히지 않는 모멘트는 시이소오처럼 움직임을 초래한다. 즉 시이소오를 타고 있는 두 아이의 몸무게가 시이소오의 축을 중심으로 모멘트를 형성한다. 만약 한 아이의 체중이 더 가볍고 축에서 똑같은 거리에 떨어져 앉아있다면, 가벼운 아이가 위로 올라갈 것이다. 축을 중심으로 한 시이소오의 회전은 각 어린이에 의해 축 주위로 만들어지는 모멘트의 정도에 따라 달라진다.
내,외부의 힘이 우리 몸을 움직이는데 영향을 미친다. 쓰러지지 않고 똑바로 서있는 사람은 체외력이 체내의 힘과 균형을 이루어야 한다. 외력은 지면반응력과 신체 부위를 움직이는 원인이 되는 관성력으로 구성된다. 체내에 작용하는 힘은 근육, 건, 인대, 관절낭들에 의해 만들어지는 힘이다. 이런 힘들이 지렛대 할을 하는 뼈에 작용한다. 회전축은 관절중심을 통과한다.
움직임에는 파워가 필요하다. 근육이나 다른 연부조직들은 힘을 만들어내기기도 하고 흡수하기도 한다. 특정한 한 관절을 지나가는 모든 조직들에 의해 만들어지는 순파워(net power)는 순체내 관절움직임(net internal joint movement)에 관절의 각속도(joint angular velocity,w))를 곱(F x d)하여 계산한다. 이것은 체중 킬로그람(Kg) 와트(w)로 표시되며,
수학 공식으로는 P = F x d x w로 표현한다.
관절 모멘트와 관절 각속도가 같은 방향에 있을 때는 양자의 증가는 관절을 통과하는 근육에 의한 파워발생의 증가를 의미하며, 동심성 수축(concentric contraction, 근수축력이 외력보다 강해서 근육의 길이가 단축되는 수축)을 나타낸다. 반대로 모멘트와 속도가 반대방향으로 작용할 때는 관절 움직임이나 혹은 각속도가 증가되면 파워흡수를 의미하며, 이심성 수축(eccentric contraction, 근수축력이 외력보다 약해서 근육의 길이가 길어지는 수축)을 나타낸다.
계산된 순관절 움직임과 파워는 보행주기를 위해 그래프로 그려지며, 운동형상학 그래프와 마찬가지로 x축은 보행주기의 백분율을 묘사한다. 모멘트 그래프에서 y축은 순관절 모멘트로 체중에 따른 표준화를 나타내며, 주 근육그룹으로 명명된다.
파워그라프는 모멘트 그라프와 유사하다. 힘의 방출이 y축에 나타나며, 체중에 따라 표준화된다. 힘의 흡수(이심성 근육 수축)는 x축 아래, 힘의 발생(동심성 근육 수축)은 위에 나타난다. 모멘트와 힘의 형태와 시점을 이해하는 것이 중요하다는 것을 기억하자. y축의 최고점과 최저점의 절대치는 움직이는 속도와 훈련수준에 절대적인 영향을 받기 때문에 중요하지 않다.
가장 흥미있는 운동역학은 전후면 변화에서 나타난다. 달리는 동안 발목모멘트의 양상은 걷기에서와 유사하다. 초기 접지는 뒤꿈치에서 일어나고 전족부는 전경골근의 이심성 수축의 조절하에 바닥으로 내려온다. 발목의 족저굴곡의 시작은 달리기 보행주기의 5-10%에서 나타난다. 반대로 질주하는 동안은 초기 접지가 전족부에서 일어나기 때문에 발목의 초기 족배굴곡 모멘트없이 즉각적인 족배굴곡이 일어난다. 질주시에 발목에서 흡수되는 전체 에너지는 달리기 때보다 더 크다. 걷기, 달리기, 질주할 때 에너지 흡수 기간은 힘의 발생 기간에 따른다. 발생되는 힘은 전방 추진을 위한 에너지를 제공한다. 발목에서 발생하는 힘의 정도는 주자의 속도와 직접적인 관련이 있다.
무릎모멘트의 양상은 질주와 달리기에서 아주 유사하다. 초기 접지를 준비하기 위하여 슬굴곡근이 우세해지면서 무릎 굴곡 모멘트를 생산한다. 이 모멘트는 비행기의 후반에 나타나는 빠른 무릎 신장의 빠르기를 조절한다. 초기 접지 직후에 대퇴사두근이 우세해지면서 무릎 신장 모멘트가 발생하고. 최고 모멘트의 정도는 질주에서보다 달리기에서 더 높다. 이것은 체중이 실릴 때 달리는 사람에서 무릎이 더 많이 굽혀진다는 것을 나타낸다. 달리기에서는 초기 접지후에 무릎이 굽혀질 때 대퇴사두근이 이심성 수축을 한다. 이것은 파워 흡수로 나타나며, 충격흡수체로써의 필수적인 역활을 나타낸다.
그러나 질주에서는 무릎에서 파워의 흡수가 거의 없다. 달리기와 질주에서 무릎은 접지기의 후반부에 펴지게 된다. 대퇴사두근은 근육의 길이가 짧아지는 동심성 수축을 하면서 힘이 발생한다. 비행기에는 무릎을 가로지르는 근육들에서 생겨나는 힘은 아주 적다. 반대로 근육들은 비행하는 다리를 조절하기 위하여 힘을 흡수한다. 대퇴직근이 초기 비행기에 길이가 늘어나는 이심성 수축을 하여 과도한 무릎의 굴곡을 예방한다. 말기 비행기에는 슬굴곡근이 길이가 늘어나는 이심성 수축하면서 경골의 운동타성을 조절하고 무릎이 빠르게 펴질 때 무릎의 과도한 신장을 예방한다.
고관절 운동형태는 모든 전방 이동 상태에서는 유사하다. 접기 직전과 직후에는 고관절 신장근들이 우세하고, 접지기 후반에서 비행기 전반까지는 반대로 고관절 굴곡근들이 우세해진다. 고관절 굴곡근과 신장근들은 모두 달리기와 질주에서의 파워생산의 증가와 관련이 있다.
달리기와 질주에서 비행기 후반부에 고관절이 최대로 굴곡된다. 최대 굴곡 후에 고관절 신장근들이 길이가 짧아지는 동심성 수축을 통하여 고관절이 펴지면서 초기 접지를 준비한다. 힘의 그라프를 보면 초기 접지 전에 달리기와 질주를 위한 힘이 발생하는 것을 나타낼 수 있다. 고관절 신장근들은 접지기의 전반동한 계속 힘을 생산한다. 고관절이 계속 빠르게 신장한다.
그 다음에 고관절 굴곡근들이 우세해지고 고관절은 비행을 위해 감속된다. 이 시기에 요근건이 신장된다. 이 건이 스트레칭될 때 흡수된 에너지는 도약시의 발가락 들림에서 되돌아온다.
좌우 움직임의 정도가 비록 다양하기는 하지만 근육과 인대들이 이런 움직임에 대한 안정체로써의 일차적인 기능을 가지고 있기 때문에 움직임이 최소화되고 생산되고 흡수되는 힘이 전후 움직임에 비해 훨씬 덜하다. 접지기 동안에 지속적인 고관절 외전 모멘트가 주로 중둔근에 의해 발생한다. 흡수기에는 지면반응력이 고관절의 내측으로 떨어지기 때문에 고관절이 내전된다. 중둔근이 이 모멘트를 조절하기 위해 길이가 길어지는 이심성 수축을 한다. 추진기 동안에는 중둔근이 이심성 수축을 하고 고관절을 외전시킨다. 무릎과 발목에서 모멘트들이 발생하지만 움직임은 거의 일어나지 않는다. 그러므로 인대들, 뼈와뼈의 접촉력, 그리고 건들 중에서 어떠한 것도 많은 힘을 생산하지도 흡수하지도 않는다.
주자가 속도를 증가시킴에 따라 움직임의 전략이 변화한다.이것은 전방 추진을 위한 힘을 만드는 근원처를 생각하면 분명해진다. 힘의 곡선을 연구하면 전방 추진을 위한 힘의 주요 상산 부위는 접지기 전반부의 고관절 신장근, 도약시의 고관절 굴곡근, 접지기 후반부의 슬관절 신장근, 도약 직전의 족저굴곡근, 그리고 고관절 외전근들이다. 일부 연구자들은 양 팔이 몸을 드는 힘의 일부를 생산한다고 믿고 있다.
필수적으로 슬굴곡근과 대둔근이 발이 몸통보다 앞쪽에 있는 초기 접지 후에는 슬굴곡근과 대둔근이 고관절을 강력하게 신장시킴으로써 우리 몸을 앞으로 밀어낸다. 접지기의 후반부에 대퇴사두근, 비복근, 가자미근들이 수축하면 무릎이 신장되고 발목이 족저굴곡되면서 우리 몸을 앞으로 밀어낸다. 거의 동시에 고관절 외전근들이 수축하면서 우리 몸을 들어올린다. 마지막으로 요근들이 고관절을 굴곡시켜 하지를 비행기로 전환시킨다. 속도가 빨라지면 생산되는 힘의 총량도 증가되며, 이런 힘을 생산하는 근육군들은 속도가 빨라질수록 상대적으로 더 근위부 근육들에서 더 많은 힘이 생산된다. 즉 걸을 때는 발목근육들이 엉덩이 근육보다 더 많으며, 달릴 때는 엉덩이 근육과 발목근육이 비슷하고 질주시에는 엉덩이 근육이 발목근육보다 더 많은 힘을 생산한다.(사람보다 더 빨리 달릴 수 있는 동물인)말의 근육질량은 근위부에 집중되어 있고, 움직임의 전략에서 이 변화를 반영하고 있다. 말은 이런 근위부 근육들을 원위부 구조들과 연결시켜주는 긴 인대를 가지고 있으며, 이것이 체중을 근위부에 집중시켜 빠르게 움직이는 신체 원위부의 관성을 최소화시킨다.
이런 각각의 필수 파워 생산기들은 폭발적인 힘을 생산하기 직전에 길이가 늘어나는 이심성 수축을 한다는 것에 유의해야 한다. 인대가 스트레치되고 흡수되었던 힘이 되돌아 올 때는 대부분이 효율적으로 회복된다는 것을 보여준다. 돌아오지 않는 소량의 에너지는 열로 분산된다. 뿐만 아니라 기능이 있고 또 수축하는 근육들은 그렇지 않는 근육들에 비해 활동 단위당 더 많은 힘을 생산한다. 요약하면 인대는 용수철로 생각할 수 있으며, 근육은 용수철을 팽창기로 생각할 수 있다.
항상 즐겁고 건강한 달리기 생활되시길 빕니다.
지구사랑 달리기 클럽/달리는 의사들 이동윤
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