운동역학에서 다루는 기본적인 힘의 개념들

운동역학은 의외로 생물학이나 해부학만큼이나 물리학에 관한 영역이 상당히 큽니다.

 

이에 따라, 운동역학에서도 물리학에서 적용되는 여러가지 힘의 개념들이 존재합니다.

 

운동역학에서 다루는 기본 개념

관성(Inertia)	질량(Mass)	무게(Weight)	힘(Force)
중력중심(Center of Gravity)	압력(Pressure)	부피(Volume)	밀도(Density)
토크(Torque)	충격량(Impulse)

 

이러한 힘의 기본 개념은 질량과 무게의 단위를 자유자재로 바꿔서 판단할 수 있도록 도와줍니다.

 

예를 들면, 저울로 측정한 물체의 질량이 68kg일 때, 무게를 구한다면,

무게 = 지구중력가속도 x 질량이므로, 9.8m/s² x 68kg. 1kg은 2.2lbs이므로 무게는 667N 또는 150lbs가 됩니다.

 

 

운동역학에서 다루는 개념들의 단위

앞서 언급한 운동역학에서 다루는 기본 개념들의 단위법은 미터법과 영미식 단위법이 다르게 구분되는데 그 사용법은 아래와 같습니다.

양	기호	미터법 단위	영미식 단위
Mass	m	kg	slug
Force	F	N	lb
Pressure	P	Pa	psi
Volume (solids)	V	㎥	ft³
Volume (liquids)		liter	gallon
Density	ρ(로우)	kg/㎥	lb/ft³
Torque	T	N-m	ft-lb
Impulse		N • s	lb • s

 

이것들과 별개로, 인체에 작용하는 역학적인 반대의 힘인 부하에 관련된 개념들도 있습니다.

압축력(Compression)	장력(Tension)	전단응력(Shear)	스트레스(Stress)
비틀림(Torsion)	휨(Bending)	결합부하(Combined loading)

 

 

이러한 각 부하들은 2가지 효과를 가지고 있습니다.

하나는 가속도, 다른 하나는 변형이나 모양의 변화이죠.

 

여기서 말하는 변형은 외부의 힘이 인체에 작용할 때 발생하는 여러가지 요인으로 인해 부상을 얻게되는 형태를 발하는데 이러한 힘의 크기와 방향, 힘이 분포되는 범위에 따라 부상의 크기 또한 다양하게 바뀌게 됩니다.

 

부하는 비슷한 힘이 반복적으로 가해지는 반복 부하와, 갑작스런 힘이 갑자기 가해지는 급성 부하로 나뉘는데 달리기의 경우, 무릎에 반복적인 부하가 걸리는 반복 부하로 볼 수 있고, 갑자기 넘어지거나 서 있는 위치에서 낮은 방향으로 떨어지는 낙상의 경우 급성 부하로 볼 수 있습니다.

 

 

운동역학적인 양을 측정하는 도구들

앞서 언급한 Mass나 Force와 같은 양을 측정하는 도구로 근전도 검사와 동력 기록기를 들 수 있습니다.

 

근전도 검사는 근육이 수축할 때 발생하는 전기를 모니터링하여 운동역학적인 양의 정도와 범위를 측정하는 방법으로, 어떤 근육이 장력을 발생시키는지, 어떤 근육의 장력이 큰지, 신경전도속도와 근육반응은 어떠한지, 각각의 운동 단위들이 중추신경계의 명령에 어떠한 반응을 하는지 등 다양한 방식의 객관적인 지표들을 볼 수 있는 장점이 있습니다.

 

동력 기록기는 주로 보행 연구에 사용되는데, 출발이나 이륙, 착지, 야구나 골프의 스윙, 균형에 대한 연구에 활용되고 있습니다.

동력기록기는 지면반력기나 압력판을 사용할 수 있는데, 지면반력기는 좌우, 전후, 수직의 3방향 힘과 압력중심의 위치를 찾을 수 있는 정확한 장치이지만 실제 장치를 세팅하는 데에 시간과 노력이 드는 단점이 있습니다. 

반면, 압력판은 발바닥의 압력을 그래픽으로 나타내주는 장치로 실험실이 아닌 곳에서도 사용이 가능하지만 정확도가 낮아지는 단점이 있습니다.

 

 

벡터

운동역학적인 힘들이 크기와 방향을 가지게 되면 벡터라고 불리게 됩니다.

운동역학적인 벡터량은 힘과 무게, 얍력이나 토크로 구분되고, 운동학적 벡터량은 변위와 속도, 가속도 등을 들 수 있습니다. 

특히, 벡터에서 방향이 빠진 크기만 가지고 있는 것을 스칼라라고 하는데 질량과 부피, 길이나 속력을 들 수 있습니다.  

 

벡터 합성하기

벡터를 합성했을 때 만들어지는 또 다른 단일 벡터를 합성 벡터라고 합니다. 이것을 도식화 하면 아래와 같습니다.

 

 

벡터 분해하기

2개의 크기와 방향이 각각 반영된 합성 벡터를 분해하면, 합성 벡터의 구성 벡터들을 파악할 수 있습니다.

이러한 운동의 예로 공중으로 던져진 공의 벡터 값을 들 수 있습니다.

벡터 문제의 해결 방법

벡터 문제를 해결하는 방법에는 2가지 방법이 있습니다. 

 

하나는 그래픽으로 조작하는 방법이며, 다른 하나는 삼각법으로 해결하는 방법입니다.

그래픽으로 벡터를 조작하는 방법은 정확한 결과를 산출할 수 있고, 삼각법으로 해결하는 방법은 벡터 문제를 정량적으로 정확한 절차에 따라 이뤄지므로 측정 과정을 간소화 할 수 있습니다.

 

벡터의 그래픽 조작

 

 

- 끝 -

 

 

운동역학 시리즈

운동역학의 정의와 공식화 문제 해결 11단계

 

인간의 운동을 분석하기 위한 운동학적 개념을 알아보자