우리 몸이 힘을 쓰는데 어떤 식으로 힘을 사용하는지 생각하기 위해선 우린 반드시 ‘지레’에 대해 알아야 한다.
그렇다면
인체에서
지레란 무엇인가?!
국어사전에선 지렛대의 준말이라고 나오는데
지레, 지렛대란
쉽게 생각하면 시소 모양을 생각하면 되는데,
우리가 아는 모든 지레에선 축과 힘을 받는
내적인 모멘트 암과 외적인 모멘트암이
3가지 다 있어야 하며, 축의 위치에 따라서
1,2,3형 지레로 나눌 수 있다.
오늘도 Chat GPT에게 물어보면
힘점, 축, 저항점의 위치에 따라 지레는 3가지 유형으로 분류됩니다. 이에 대한 설명은 아래와 같습니다.
1급 지레 (First-class lever)
1급 지레는 축이 힘점과 저항점 사이에 위치한 지레입니다. 이 경우 근력을 이용하여 저항점을 올리거나 밀어내는 데에 최적화되어 있습니다. 인체의 경우로 예를 들면, 팔꿈치가 축이 되고 손목을 힘점, 손에 든 물건을 저항점으로 하는 경우입니다. 이 경우 근육은 손목 쪽으로 힘을 가해 물건을 들어올립니다.
2급 지레 (Second-class lever)
2급 지레는 저항점이 축과 힘점 사이에 위치한 지레입니다. 이 경우 근력을 이용하여 무거운 물체를 들어올리는 데에 최적화되어 있습니다. 인체의 경우로 예를 들면, 발목이 축이 되고 발 끝이 힘점, 몸무게가 저항점으로 하는 경우입니다. 이 경우 발목 근육은 발 끝 쪽으로 힘을 가해 몸을 들어올립니다.
3급 지레 (Third-class lever)
3급 지레는 힘점이 축과 저항점 사이에 위치한 지레입니다. 이 경우 근력을 이용하여 물체를 던지거나 손목이나 발목을 구부리는 데에 최적화되어 있습니다. 인체의 경우로 예를 들면, 팔꿈치가 축이 되고 손목을 저항점, 팔 근육이 힘점으로 하는 경우입니다. 이 경우 근육은 손목 쪽으로 작용하여 손목을 구부립니다.
이렇게 힘점, 축, 저항점의 위치에 따라 지레의 작동 방식이 달라지므로, 이를 이해하여 인체의 운동과 관련된 원리를 파악하는 것이 중요합니다.
라고 나온다. 대략적으로 맞는 말이지만
글만 무성하게 쓰여 있으면 말이 너무 어려우니 아래에선 그림과 함께 설명하도록 하겠다.
왼쪽부터 차례대로 1,2,3형 지레의 예
지레의 기능 중 하나는
직선적인 힘을 돌림의 토크로 전환시키는 것으로 위 그림에서 오른쪽의 성인 남성과 왼쪽의 아이가 무게차이가 2배가량 나는데
균형을 이루는 모습을 보아 축의 위치에 따라
모멘트암의 힘을 이용해
균형을 잡을 수 있는 것이다.
1. 1형지레
대표적으로 시소나 가위를 예를 들 수 있는데 인체에서 보자면
대표적으로 예를 들 수 있는 관절이 C0-C1 관절에서 볼 수 있는데 축점이 가운데에 위치하고, 중력이 작용해서 머리의 무게 (Head Weight=HW) 에 외적인 모멘트 암(external moment arm)을 곱한 값과 머리와 목 폄근의 힘(Muscle Force=MF)과 내적인 모멘트 암(Internal Moment Arm)을 곱한 값이 균형을 이루므로써 머리가 평형상태를 유지하게 된다.
2. 2형 지레
2형지레는 항상 두가지의 특징을 가지고 있는다
1)돌림축은 뼈의 한쪽 끝에 위치함
2)근육의 힘 or 내적인 모멘트 암 >외적인 모멘트 암
인체에서 매우 드문 형태의 지레로
쉽게 생각하면 수레나 리어카 병따개 이런걸 생각할 수 있다. 인체에서 볼땐 발 끝으로 까치발 서는 건데 이 때 장딴지근의 작용을 2형지레의 대표적인 예로 본다.
축이 metatarsal head에 있기 때문에 외적인 모멘트 암보다 내적인 모멘트 암 길이가 훨씬 길고, 수레로 비유하면 바퀴가 축인데 수레 몸통에 담긴 내용물의 위치가 외적 모멘트암 손잡이가 내적 모멘트 암이기 때문에 수레 손잡이를 움직이는 우리의 힘을 장딴지근의 근력이기 때문에 내적 모멘트암이 체중이 작용하는 외적 모멘트임보다 크면서 움직이는 유형이다.
3. 3형지레
2형지레 처럼 3형지레도 뼈의 한쪽 끝에 돌림축을 가지고 있는건 동일 하나, 외적인 모멘트암과 외적인 무게가 내적 모멘트 암보다 항상 크다는 게 다르고 인체에서 가장 흔한 지레 유형이다. 사물로 예를 들면 젓가락이나 핀셋이 있다.
이두근을 이용해 우리가 물건을 들 때 Elbow joint에서는 돌림축을 형성하고, 손에 쥐고있는 무게와 모멘트 암 길이가 근육 힘이 작용되는 내적 모멘트 암보다 훨씬 길다.
다른 예로 윗몸일으키기 한다고 가정을 하면 축이되는 골반부가 축점이고 rectus abdominal근육이 내적 모멘트암 그리고 머리가 외적 모멘트 암이 될 것이다.
3형지레가 근육 키우는데는 제일 좋은 형태의 지레이다.
역학적으로 생각을 해보면 3형 지레의 경우 역학적 이득은 전혀 없다. 항상 힘은 많이들고 움직임의 폭은 커지지만, 우리 몸이 대체로 이렇게 움직이기에 근육에 적당한 부하가 발생해 일상생활만 해도 항상 근력을 어느정도 유지하며 사는 이유가 아닌가 싶다.
이렇게 지레를 이용하여 우리가 상황에 맞게 어떠한 운동을 하거나 치료적인 행위를 할 때 도움이 될 수 있게 적용을 잘 했으면 좋겠다.