운동역학의 정의와 공식화 문제 해결 11단계

운동역학은 인간의 움직임과 관련이 깊습니다.

 

여기에는 다양한 사례들이 발생하는데, 예를 들면 다음과 같습니다.

 

1. 골퍼들이 슬라이스 볼을 치는 이유는?
2. 체육교사들이 언더 핸드 서브를 연습하는 학생들을 지도할 때 가장 효과적인 방법은?
3. 노인들이 낙상의 위험에 가장 높게 노출된 이유는?
4. 운동기술을 빨리 배우는 사람과 늦게 배우는 사람과의 차이는 어디서 발생하는 것일까?

운동역학은 위에서 제시한 것과 같은 사례들을 찾아내어 분석하고 솔루션을 찾아내기 위한 기초 학문이라 할 수 있습니다.

 

운동의 중요성

운동이 가지는 중요한 점은 우리의 일상 생활에서도 많이 찾아 볼 수 있습니다.

 

예를 들면, 테니스나 배드민턴과 같이 타인과 함께 어우러져 경쟁하는 스포츠 뿐만 아니라, 조깅이나 스키, 골프, 마라톤, 태권도, 심지어 야구나 농구와 같은 경기를 관람하는 것도 관중으로서의 운동을 참가한다는 측면에서 일상생활에 밀접함을 가지고 있습니다. 

 

이미지 출처 : defense.gov

스포츠 연구의 주요 목표

이러한 다양한 형태의 운동을 접하므로써 우리는 각 사례에 대한 깊은 사고의 확장을 가질 수 있습니다. 

 

각각의 운동 형태는 모두 다르지만 본질에 있어서 1) 건강과 체력의 증진과 2) 운동에 따른 부상을 예방하고 3) 각 운동에 대한 장비를 개발하면서 4) 운동의 수행능력을 향상시키는 것이 이러한 연구의 주요한 목표라 할 수 있습니다. 

 

운동역학의 정의

학문적인 의미에서 운동역학은 생물체의 연구에 역학적인 원리를 적용한 학문이라고 말할 수 있습니다.

 

'운동역학'에서 '역학'만 떼어놓고 본다면, 역학은 물체의 크기나 모양은 고려하지 않고 물체의 질량만 갖고 있다고 가정하면서 이러한 환경에서 작용하는 힘을 분석하는 물리학의 한 분야로 스포츠도 생물학 뿐만 아니라 물리학의 영역에 깊이 관여하고 있다고 볼 수 있습니다.

 

'역학'은 또한, '정역학'과 '동역학'으로 나뉠 수 있는데 '정역학'이란 운동의 일정한 상태, 즉, 운동이 없는 상태와 일정한 속도로 움직이는 상태를 다루는 분야이며, '동역학'이란 정역학과 반대로, 가속 운동 상태를 다루는 분야를 말합니다.

 

이번에는 '운동역학'에서 '운동'에 해당하는 '운동학'을 알아보겠습니다.

 

'운동학'은 공간과 시간을 기본으로하여 운동을 해석하는 운동역학의 한분야로 앞에서의 내용을 합쳐 결국 '운동역학'이란 움직임의 원인이 되는 힘을 연구하는 것이라고 할 수 있습니다.

 

특히, 운동역학은 인체측정학과 운동기능학, 스포츠의학이 포함되는데 '인체측정학'은 신체 각 부분의 치수와 무게와 관련된 사이즈, 형태, 무게 등을 연구하는 것이며, '운동기능학'은 인간의 움직임을 연구하는 것, '스포츠의학'은 스포츠나 운동의 임상과 과학적인 측면에서 연구하는 학문을 말합니다.

 

생체역학에서의 주요한 연구들

근골격계의 생체역학 연구에 있어서 근육의 운동과 관절에 작용하는 힘과 모멘트를 다루는 운동학과 운동역학은 주요한 주제입니다.

생체역학은 가속도와, 길이, 관성, 질량 등 기본적인 단위들이 사용되는데 뉴턴의 운동 법칙을 기초로 하여 인체의 해부학적인 역학을 연구하는 학문이죠.

 

생체역학에서의 주요한 연구들은 지구상의 모든 생명체의 움직임에 해당합니다.

 

예를 들면, 이족보행을 하는 타조와 사족보행을 하는 강아지의 움직임의 차이, 혹은 어린 아이들이 자라나면서 체격과 운동 기술이 변할 때, 에너지 소비의 변화 정도, 우주인들의 우주 생활에서 골밀도나 미네랄, 하지 근력 감소량의 연구, 골다공증에 대한 연령별 차이, 노년층의 노화로 인한 균형능력 감소가 낙상 위험을 얼마나 놓이는지 등 다양한 측면에서의 해석과 해결이 필요로 하는 부분들이 많습니다.

 

또한, 다양한 운동 임상 연구들도 포함이 되는데 뇌성마비 환자들의 보행에 대한 근육과 관절의 향상 방법이나 무릎이 절단된 사람들의 보행 향상법, 또는 노동자들의 작업 수행에 촛점을 맞춘 작업 조건 분석 등이 있을 수 있습니다.

 

스포츠 수행력을 향상시킬 목적으로 각종 장비들의 개발에도 생체역학이 활용됩니다.

 

싸이클의 경우, 헬멧이나 의류, 싸이클 자체의 디자인을 향상 시킨다거나, 수영이나 육상, 스케이팅, 스키에서의 의류 개발, 스키 점프 장비를 향상 시키기 위한 풍동 실험 등이 있습니다.

 

일반인들 외에 전문적인 선수들에게는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, 각 스포츠에서 향상시킬 수 있는 속도, 높이, 각도 등을 포괄적으로 연구하여 모든 운동 움직임에 대한 향상력을 높이는 방법으로 생체역학이 채용되고 있습니다.

 

운동 사례에서 찾아 볼 수 있는 해결 프로세스

야구 경기에서 타자가 왼쪽 필드에 깊은 3루타를 치고, 3루 베이스 근처까지 다다를 무렵. 포수에게 악송구가 던져졌음을 깨닫고, 홈으로 달리기로 결정했다. 포수는 공을 홈에서 10m 떨어진 곳에서 잡아, 5m/s 속도로 홈으로 달려오고, 3루 베이스를 통과하여 홈으로 들어오고 있는 타자는 홈까지 15m를 남긴 위치에서 9m/s 속도로 들어오는 중이다. 과연, 누가 홈에 먼저 도착할까?

이 문제를 해결하기 위해서는 11단계의 해결 프로세스가 필요합니다.

 

1단계

문제를 확실히 이해하기

 

2단계

주어진 정보 파악하기

• 포수의 속도 : 5m/s
• 타자의 속도 : 9m/s
• 포수와 홈의 거리 : 10m
• 타자와 홈의 거리 : 15m

3단계

해결할 내용 확인하기

→ 누가 홈에 먼저 도착할까?

 

4단계

주어진 정보와 해결할 내용을 한눈에 볼 수 있도록 다이아그램 그리기

 

5단계

사용할 공식 찾기

• 시간 = 거리 / 속도

6단계

사용할 공식이 적합한지 확인하기

 

7단계

사용할 공식만으로도 해결이 가능한지 재확인하기

 

8단계

주어진 정보를 공식에 대입하기

• 시간 = 거리 / 속도
• 포수의 홈까지 걸리는 시간 : 10m / 5ms
• 타자의 홈까지 걸리는 시간 : 15m / 9ms

9단계

공식 풀기

• 포수의 홈까지 걸리는 시간 : 10m / 5ms = 2초
• 타자의 홈까지 걸리는 시간 : 15m / 9ms = 1.67초

10단계

결과값이 맞는지 검토하기

 

11단계

결과값을 명확하게 하기

→ 타자가 홈에 포수보다 0.33초 먼저 도착한다.

※ 결과값에 사용할 단위가 정확한지 확인

 

운동역학에서 사용되는 단위들의 변환

운동역학에는 영국식 단위와 미터법이 통용되고 있기 때문에 각 단위들이 어떠한 지표를 나타내는지 비교가 필요합니다.

1 inch = 2.54 cm	1 feet = 30.48 cm	1 mile = 1.609 km	1 yard = 0.914 m
1 gallon = 3.78 liter	1 kg = 2.2 pound (체중)	1 pound(lbs) = 약 4.45 N

 

 

 

- 끝 -