토크 개념 일상의 토크 사례 지레의 3가지 유형

신체의 토크 (TORQUE)

신체의 근육에서 생산된 힘은 병진운동과 회전운동을 만든다. 신체마디를 선형으로 움직이고 또한 관절의 회전축을 중심으로 일정한 거리에서 관절회전을 만든다. 모멘트팔 (moment arm)이란 회전축과 힘 사이의 가장 짧은 거리를 말한다.

힘과 모멘트 팔을 곱한 것이 토크(torque) 또는 모멘트(moment)이다. 힘은 물건을 선형의 방식으로 밀거나 당기는 반면, 토크는 물건(신체)을 회전축에 대해 회전시킨다. 토크는 지레계를 회전시키는 힘의 효과를 표현한다. 회전축에 대해 운동면 내에서 일어나는 내적 힘과 외적 힘이 시상면 내에서 생산되는 것이 토크다. 내적 토크 (internal torque)는 내적 힘(근육)과 내적인 모멘트 팔을 곱한 것으로 정의되며 내적인 모멘트팔(internal moment arm)은 회전축과 내적 힘 사이의 수직거리이다. 외적 토크(external torque)는 외적 힘(중력)과 외적인 모멘트 팔을 곱한 것으로 정의된다. 외적인 모멘트팔(external moment arm)은 회전축과 외적 힘 사이의 수직거리다. 예를 들어 오른손 주관절 90도에서 시상면(측면)에 작용하는 내적인 힘과 외적인 힘의 균형이 일어난다면 내적토크는 반시계방향의 굴곡으로 전완을 회전시킨다. 외적 토크는 시계방향의 신전으로 전완을 회전시킨다. 따라서 주관절에서 회전은 없다. 이러한 상황을 정적인 회전 평형이라 한다.

일상생활 속 토크 사례

토크는 모든 사람이 다양한 상황에서 경험한다. 근육과 중력은 관절에서 회전축에 대한 토크를 좌우하기 위해 끊임없이 경쟁한다. 뼈의 회전 방향은 관절토크에 어떤것이 좀 더 영향을 미쳤는지를 나타낸다. 병의 뚜껑을 열기 위해, 렌치를 돌리기 위해, 야구 방망이를 스윙하기 위해, 그리고 문을 열기 위해 토크가 사용된다. 예로 들어, 문을 열 때 문은 손잡이에 대한 밀기 힘과 손잡이와 경첩 사이의 수직거리를 곱하면 열린다. 문의 경첩에서  3cm 정도 떨어진 곳에 밀기를 하여 문 열기를 시도하는 것은 큰 밀기 힘이 적용되었다 하더라도 워낙 경첩수직거리가 짧아서 어렵다. 반대로, 문의 경첩에서 멀리 떨어진 곳(모멘트팔)에서 문 열기를 시도할 때 작은 밀기 힘만으로도 문은 열릴 수가 있다. 토크는 힘 곱하기 모멘트팔이다. 결국 두 변수는 토크에 영향을 미친다. 토크는 신체 운동이나 근력측정과 연관되는 대부분의 치료적 상황과 관계가 있다. 일반 사람의 근력(strength)은 사람 근육의 힘에 근육의 작용선과 회전축 사이의 거리를 곱한 것이다. 근육의 모멘트팔의 길이는 가동범위를 통해 계속 변한다. 어떤 특별한 가동범위에서 더 강하게 되는지에 대해 그 일부분을 설명이 가능하다. 전문가들은 특별한 근활동을 측정할 때, 촉진할 때, 또는 자극하기 위해 대상자에게 도수저항을 종종 적용한다. 대상자의 사지에 적용된 도수 저항은 대상자의 근골격계에 대한 외적인 토크로서 받아들여진다. 전문가의 도수저항은 외적 토크의 적용이 된다. 이는 특정 근육군을 자극하기 위해 관절에서 먼 곳에서 적은 도수저항을 적용하거나 관절에서 가까운 곳에서 큰 도수력을 적용해야 된다. 두 방법은 다 똑같은 외적인 토크를 만든다. 경험 많은 전문가는 기술과 근력의 변화로 힘과 외적인 모멘트 팔을 수정한다.

지레(lever)의 3가지 유형

지레(lever)는 중심축과 그 위로 매달려 있는 막대로 구성된 간단한 기계 장치이다. 시소가 지레의 전형적인 예다. 지레의 기능은 힘을 토크로 전환시키는 것이다. 시소에 아들과 아빠가 균형을 유지한다면, 아빠 체중과 중심축으로부터 거리를 곱한 값과 아들체중과 중심축 거리 곱이 같다는 말이다. [아들 체중 × 중심축과 거리 D1 = 아빠 체중 × 중심축과 거리 D2] 따라서 아들은 보다 큰 지레작용(D1)을 갖고 있다. 지레작용(leverage)은 특정한 힘을 갖고 있는 상대적인 모멘트 팔의 길이를 말한다. 내적인 힘과 외적인 힘은 뼈의 지레 시스템을 통해 신체 여러 곳에서의 토크를 만든다. 근골격 지레에 관계되는 가장 중요한 힘은 근력, 중력, 그리고 환경 내의 신체적 접촉에 의해 생산된 힘들이다. 지레는 제1형, 제2형, 그리고 제3형으로 분류된다. 제1형 지레는 서로 반대되는 힘들 사이에 회전축이 있다. 신체에 있어 제1형 지레의 예로는 시상면에서 머리의 자세를 조절해 주는 머리와 목의 신전근들을 들 수 있다. 시소처럼, 근력에 내적인 모멘트 팔을 곱했을 때의 값과 머리의 무게에 외적인 모멘트팔을 곱한 값이 같을 때 머리는 평형상태가 된다. 내적인 힘과 외적인 힘은 보통은 비슷한 선형(linear)의 방향에서 작용하지만 제1형 지레에 토크의 방향은 서로 반대방향이다. 제2형 지레는 두 가지의 독특한 양상을 갖고 있다. 첫 번째로, 회전축은 뼈의 한쪽 끝에 위치된다. 두 번째로, 근력 또는 내적인 힘은 외적인 힘보다 더 큰 지레작용을 갖고 있다. 예를 들어 장딴지 근육군들은 발가락 끝으로 서있을 때 필요한 토크를 발생하기 위해 제2형 지레가 적용된다. 이러한 작용을 위한 회전축은 중족지절관절(MTP joint)을 지나간다. 장딴지 근육들에 대한 내적인 모멘트 팔은 체중에 대한 외적인 모멘트 팔을 훨씬 더 초과한다. 제2형 지레는 근골격계에 자주 나타나지 않는다. 제3형 지레는 제2형 지레처럼 뼈의 한쪽 끝에 회전축을 갖고 있다. 주관절 굴곡근은 역기를 지지하는데 요구되는 굴곡토크(flexion torque)를 생산하기 위해 제3형 지레를 이용한다. 제2형 지레와 반대로 제3형 지레는 외적인 무게가 근력보다 항상 더 큰 지레 작용을 갖고 있다. 제3형 지레는 근골격계에서 가장 많이 사용하는 지레이다. 역학적 이득은 내적인 모멘트팔을 외적인 모멘트팔로 나눈 값이다. 제1형 지레는 역학적 이득이 1보다 크거나 작거나 같은 경우를 가진다. 제2형 지레는 항상 역학적 이득이 1보다 크다. 결국 내적인 모멘트팔이 크다는 뜻이다. 제3형 지레는 항상 역학적 이득이 1보다 작다. 외적인 모멘트팔이 크다는 말이다. 요약하면 근골격 지레는 힘을 토크로 전환시키고 근수축의 일을 뼈를 회전시키는 일로도 전환시킨다. 짧은 거리에는 상대적으로 큰 힘을 주고 긴 거리에는 작은 힘을 통해 지레의 역학적 이득이 어떻게 일을 전환시키는지 알게 된다.