힘의 개념 관성의 법칙 가속도의 법칙 작용-반작용 법칙

힘(FORCES)

힘이 생활 속에 나타나는 단순한 현상은 밀거나(압박 : compression), 당기는(긴장: tension) 것이다. 밀거나 당기는 것을 한 번에 보는 것은 줄다리기에서 볼 수가 있다. 양쪽이 같은 힘으로 서로 줄을 당기면 줄의 이동은 움직이지 않는다. 줄은 균형을 유지하거나 혹은 평형상태에 놓인다. 어느 한쪽이 강하면 힘의 균형이 무너지고 줄의 이동이 일어난다. 양쪽은 다리로 땅을 밀게 되고 땅은 그들의 발을 뒤로 밀게 된다. 작용 반작용이라 한다. 이러한 힘을 내기 위하여 줄다리기 사람들은 손과 발 사이의 모든 관절에서 최대로 밀거나 당기게 된다. 또한 체중에 작용하는 중력의 효과를 활용하기 위하여 몸을 뒤로 비스듬하게 만든다. 또한 손과 발에서 마찰력의 중요성을 볼 수 있는데 손이나 발이 미끄러지면 지게 된다.

신체움직임에 영향을 미치는 4가지 요소로 1) 중력(gravity) : 인체 각 부분의 무게, 부목, 덤벨, 책과 같은 부착물의 무게. 2) 근육(muscles) : 능동적 수축 또는 수동신장에 의해서 힘이 발생되고 뼈대 분절에 작용. 3) 외적저항(externally applied resistance) : 손에 의한 저항, 도르래, 창문, 여닫이 문 등에 의해 인체에 가해지는 근육활동을 만드는 저항. 4) 마찰(friction): 접촉된 두 물체사이에 발생한다. 적당하면 안정성을 제공하고 부족하면 불안정하고 너무 과하면 운동을 방해한다. 인체에 힘이 작용될 때 나타나는 이차적인 임상반응은 신체조직 압력 (pressure)과 관절 압박(joint compression)과 관절 분리(joint distraction)로 나타난다. 힘의 개념(Force Conventions)은 크기만 있는 스칼라양과 크기와 방향을 가지고 있는 백터양이 있다. 백터는 그래프나 수학적으로 표현하며 화살표로 표시된다. 화살표의 꼬리 부분은 힘 작용점이고 화살표 머리 부분은 힘 방향을 표시하며 화살대는 작용선을, 길이는 스칼라로 힘의 크기를 표시한다. 공간에 놓인 힘을 직각 좌표계 위에 올려놓아 표시한다. 힘의 크기는 파운더(lb), 뉴턴(N), 다인(dyne)으로 표시된다. 추상적이고 복잡한 힘을 그래프나 수학적 표시로 단순화하고 시각화할 수 있게 한다. 힘이 어디에 어떻게 작용하는가를 아는 것은 치료적으로 기능증가와 통증감소, 운동회복에 필요한 힘을 조절하는 기초가 된다. 힘은 공간에서 신체(물체포함)를 움직이게 한다. 또한 신체를 변형시킨다. 두 개의 물체(신체)가 만날 때 밀고 당기며 힘이 발생한다. 하지만 중력에 기인하는 체중은 접촉 없이 생긴다. 힘은 질량에 작용한다. 질량(kg)은 물질의 양이고 무게는 물체에 작용하는 중력(pound)의 힘이다.

뉴턴의 제1 운동법칙: 관성의 법칙

관성[Inertia(평형 equilibrium)의 법칙은 “모든 물체는 외력이 작용하지 않으면 원래의 정지상태나 직선운동을 유지한다"라는 것이다. 바꿔 말해서 운동을 일으키거나 운동의 방향, 속도를 변화시키거나, 운동을 멈추게 하기 위하여 힘이 요구된다고 말할 수 있다. 힘은 운동의 시작, 방향의 변화나 운동속도의 변화, 멈춤을 만든다. 선운동에서 이 법칙의 적용은 환자가 휠체어나 들것에 의해 이동되거나 자동차가 갑자기 멈출 때 볼 수가 있다. 환자가 좌석 벨트를 착용하지 않으면 몸은 다른 힘에 의해 멈출 때까지 앞으로 운동이 지속된다. 휠체어에서 떨어진 환자는 대퇴부 골절이 많다. 자동차나 휠체어 등의 갑작스러운 멈춤에 의해 일어날 수 있는 손상을 방지하려면 벨트를 꼭 착용한다. 목에 편타성 외상(whiplash injury)은 자동차 후미 충돌사고 시에 발생되며 지지되지 않은 머리는 그대로 있고 좌석과 몸이 하나가 되어 앞으로 빠르게 밀리기 때문이다. 목구조의 갑작스러운 신장은 머리와 목을 빠르게 굴곡하게 되어 결과적으로 머리와 목의 전후방 구조에 손상을 주게 된다. 뉴턴역학의 기본은 아리스토텔레스의 "자연스러운 상태가 평형이다"에서 시작한다. 평형상태에서 물체에 작용하는 힘의 합은 0이다. 줄다리기에서 여러 큰 힘이 작용하지만 우측과 좌측의 힘의 합이 같기 때문에 이 상태는 정지상태 혹은 정적 평형상태에 놓이게 된다. 아이스링크 위에 있는 하키퍽은 평형상태에 있다. 왜냐하면 퍽이 아이스에 미치는 힘과 아이스가 퍽에 미치는 힘이 같기 때문이다. 퍽을 치고 나면 가속이 붙고, 퍽을 다시 평형을 되찾게 되고 다른 힘이 가해질 때까지 일정한 방향 속도로 진행한다. 아이스와 퍽 사이 마찰은 퍽의 속도를 감속시키고 스틱이나 벽과의 충돌은 속도나 방향을 변화시킨다. 관절의 각운동에 평형법칙의 임상적용은 보행의 유각기시에 하지에서 발견된다. 고관절 굴곡근을 이용하여 다리를 움직이고 슬건근을 이용해 다리를 멈추기 위해서도 힘이 필요하다.

뉴턴의 제2 운동법칙: 가속도의 법칙

가속도(Acceleration)는 다른 종류의 물체에 작용하는 힘은 같은 힘이라도 서로 다른 운동을 일으킨다. 운동 중에 있거나 평형상태에 있는 물체가 그 상태를 유지하려는 성질을 관성이라 정의한다. 뉴턴의 제2법칙은 물체의 가속도(a)는 물체에 작용하는 알짜 힘(F)에 비례하고 물체의 질량(m)에 반비례한다는 것이다. 즉 a ∝ F/m 쉽게 말하면 질량이 큰 물체를 움직이기(정지) 위하여 큰 힘을 필요로 한다. 만약 20kg 쌀과 40kg을 밀어 옮긴다고 하자. 20kg 쌀보다 40kg 쌀을 밀 때 힘이 더 들것이다. 다리에 석고붕대나 무거운 구두를 신고 걸을 때처럼 질량이 증가할 때 유각기 하지를 가속하거나 감속할 때 큰 힘을 필요로 한다. 근약증이 있는 환자가 적절한 근력발생이 불가능할 때 근력을 최소한으로 하기 위해 가능한 보조기의 무게를 가볍게 하는 것이다. 가속, 힘, 질량과의 관계를 기술하는 기본 공식은 F=ma로 쓸 수 있다. 이 공식으로 무게의 개념을 질량과 구분할 수 있다. 무게는 질량에 대한 중력 가속도의 표시된다. 그래서 공식은 W=mg가 된다. 무게는 힘이고 파운드, 뉴턴, 다인으로 표시된다. 질량은 슬러거, 킬로그램, 그램으로 표시된다. 물체의 무게는 지구중심과의 위치 관계에 따라 변한다. 그러나 질량(관성)은 항상 일정하다. 치료적 운동과 중력이 감소된 우주환경에서 일하거나 운동하는 능력을 연구하는 우주 운동학(space kinesiology)에서 중요한 차이가 있다. 우주비행사는 조종간이나 문을 앞으로 밀어 열 때 몸을 고정하는 힘이 부족하기 때문에 몸이 뒤로 밀려나게 된다. 몸을 고정하는 장치가 필수적이다.

뉴턴의 제3 운동법칙: 작용-반작용의 법칙

작용과 반작용(Action and Reaction)은 모든 작용력에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용력이 존재함을 의미한다. 그리하여 두 물체가 충돌할 때 그들은 서로 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 발생한다. 물체의 운동상태는 한 물체가 다른 물체에 미치는 힘에 의해서가 아니라 다른 물체에 의해 작용되는 힘 즉 반작용력에 달려있다. 이 개념은 아이스 스케이트에 마찰이 적은 상태에서 느끼고 볼 수 있다. 즉 스케이트를 타는 사람이 고정된 물체를 밀면 사람이 뒤로 밀리게 된다. 물체에 작용하는 힘은 다른 물체에서 발생된다. 그리하여 두 물체가 서로 접촉할 때 한 힘만이 작용하는 것이 아니라 상호 작용하는 두 힘이 쌍으로 작용하게 된다. 줄다리기에서 평형상태에 있는 선수들은 지면을 밀고 지면은 크기가 같고 방향이 반대가 되는 힘으로 선수를 뒤로 밀게 된다. 손에 10파운드의 무게 들고 있을 때 무게는 10파운드의 크기로 아래로 작용하고 손은 10파운드의 무게에 저항하게 된다. 근육은 뼈를 당기고 뼈는 크기가 같고 방향이 반대인 힘으로 반응하게 된다. 뉴턴의 작용 반작용 법칙에 다른 예를 들어보자. 한 사람이 걷거나 서 있을 때 발은 지면에서 나오는 반발력을 받는다. 발은 지면에 힘을 만들고 크기는 같지만 방향이 반대인 지면 반발력을 발생한다. 걸을 때 디딤기 발에 지면 반발력의 크기, 방향, 작용점은 변화된다.