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1. 근육과 관절의 힘 및 토크 활용
1.1. 근육과 관절의 힘 구하기
근육과 관절의 힘 구하기는 토크를 사용하여 이루어진다. 책을 들고 있는 팔과 유사한 지레 시스템의 도식도를 분석하면 전형적인 근육 시스템의 작동 원리를 알 수 있다. 근육은 수축과 이완이 동시에 일어나는데, 팔에서 이두근이 수축하면 삼두근은 확장된다. 이는 척추동물의 골격근, 뼈, 관절의 일반적인 구조이다. 대부분의 골격근은 신체 밖으로 작용하는 힘보다 안쪽으로 작용하는 힘이 더 크다. 그 이유는 대부분의 근육이 관절에 가까운 힘줄을 통해 뼈에 부착되어 있기 때문이다.
예를 들어, 책을 들고 있는 사람의 팔에서 이두근이 F_B만큼의 힘을 내어 팔과 책의 무게를 지탱하고 있다고 가정할 수 있다. 이때 전완에는 이두근의 힘 F_B, 팔꿈치 관절의 힘 F_E, 전완의 무게 w_a, 책의 하중 w_b가 작용한다. 이 중 F_E의 토크는 0이 되므로, 알려진 값들을 이용하여 F_B를 구할 수 있다. 즉, 중심을 팔꿈치로 선택하면 돌림힘의 평형조건 tau=0을 충족시키기 위해 r_2*w_a + r_3*w_b = r_1*F_B이 성립한다. 주어진 값을 대입하여 계산하면 F_B = 470N이 된다. 이는 전완과 책의 총 무게 63.7N에 대해 이두근이 7.38배의 힘을 발휘한다는 것을 의미한다.
마찬가지로 팔꿈치 관절에 작용하는 힘 F_E를 구할 수 있다. 이때 F_E = w_a*(r_2/r_1-1) + w_b*(r_3/r_1-1)로 계산하면 F_E = 407N이 된다. 즉, 관절에 작용하는 힘은 근육에 의한 힘과 반대 방향으로 작용하며, 두 힘의 차이가 지지된 총 중량과 일치한다.
이처럼 근육과 관절의 힘은 토크를 사용하여 구할 수 있으며, 책과 같은 하중이 관절에서 먼 거리에 있을 때 가장 크게 나타난다. 이는 스포츠 활동에서도 응용될 수 있는데, 선수들이 무거운 라켓을 사용할수록 더 큰 힘이 발휘되지만 과도한 토크로 인해 관절 손상의 우려가 있다. 따라서 적절한 라켓 선택과 기술 발전으로 피로와 손상을 최소화할 수 있다.
이처럼 근육과 관절의 힘을 토크를 활용하여 구하는 것은 물리치료, 운동 재활, 스포츠 트레이닝 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 이를 통해 신체 구조와 기능에 대한 이해를 높이고, 건강관리 및 성과 향상에 기여할 수 있다.
1.2. '나쁜 자세'의 문제점 해결
등은 팔이나 다리보다 상당히 복잡하며 척추 사이에 다양한 근육과 관절이 있다. 등 근육은 척추에 의해 지탱되는 매우 큰 힘을 가해야 한다. 그림에서 볼 수 있듯이 자세가 좋은 경우 상체의 무게중심이 엉덩이의 중심지점 바로 위에 있고, 이는 발밑의 지지대 바로 위에 있다. 이 때문에 상체의 무게가 엉덩이에 토크를 가하지 않는다. 이 때 필요한 유일한 힘은 지지된 무게와 동일한 엉덩이의 수직 힘이므로 신체에 무리가 가지 않는다.
반면 '나쁜 자세'는 상체의 무게중심이 엉덩이의 중심지점 앞에 있다. 이것은 엉덩이 주위에 시계방향으로 회전하는 토크를 만들어 내는데, 이 토크를 상쇄하기 위해 허리와 등 근육의 힘을 사용하므로 몸 전체에 무리가 가게 된다. 등 근육에는 작고 효과적...
