뉴턴 제 1 법칙, 관성의 법칙 정리

생체역학은 신체의 안과 밖에서 적용된 힘들과 신체의 반응을 연구한다. 뉴턴은 힘이 질량 및 운동과 관계된 다는 것을 알았고 이롤 통해 움직임을 이해하기 위해 역학의 기본적 법칙과 원리를 제시하였다.

 

1. 관성의 법칙의 정의

1법칙은 외부에서 물체의 상태에 변화를 일으킬 수 있는 힘이 적용되지 않는 한 물체는 가만히 있거나 일정한 선형속도를 유지하려는 것을 의미한다. 선형운동을 시작할 때, 정지할 때, 감속, 가속, 방향을 변경시키기 위해서는 힘이 필요하다는 것을 의미한다.

 

돌림운동에 대한 1법칙은 물체의 상태에 변화를 일으킬 수 있는 토크가 적용되지 않는 한 물체는 돌림축에 대해 가만히 있거나 일정한 각속도를 유지하려는 것을 말한다. 돌림운동 시작 시, 정지, 감속, 가속, 방향 변경을 위해 토크가 필요함을 의미한다.

 

따라서, 선형이든 돌림이든 운동이 방향에 상관없이 1법칙은 물체가 평형상태에 있는 경우에만 설명이 된다.

 

속도가 0일 때에 그 물체는 정적인 평형 상태에 있게 되는 것이다. 대조적으로 물체의 선형속도나 돌림속도가 0이 아니면서 항상 일정하다면 물체가 동적인 평형상태에 있다는 것이다.

 

그래서 이 뉴턴의 1법칙은 관성의 법칙이라고 한다. 관성이라는 것은 물체의 속도를 변경시키는데 필요한 에너지의 양과 관련이 있다. 

 

2. 관성의 법칙의 특징

물체의 관성은 그 물체의 질량에 비례하는데, 예를 들어 10kg의 아령보다 20kg의 아령에 대해 움직이는 속도를 상승시키거나 감속시키는 데에는 에너지가 더 요구된다.

 

각 물체는 질량이 모든 방향에서 고르게 분포되는 지점인 질량중심을 갖게 되는데, 중력을 받았을 때에 물체의 질량줌심은 중력중심(center of gravity)과 매우 일치한다.

 

중력중심은 중력의 영향들이 완전하게 균형을 이루게 되는 지점을 말하며, 해부학적 위치에 있어 인체의 질량중심은 둘째엉치뼈의 바로 앞에 위치해 있다.

 

하지만 각각의 분절은 각각의 질량중심을 갖는다. 예를 들어서, 다리의 중요 부분인 넙다리, 정강이 그리고 발이 있다. 각 분절의 질량중심의 위치는 활성된 근육의 동적인 형태변화에 의해 작은 변화가 있더라도 분절 내에서 고정된 상태를 유지한다. 하지만 다리 전체의 질량 중심 위치는 분절들의 공간적 배치에 따라 변할 수 있다.

 

3. 질량관성모멘트

물체의 질량관성모멘트는 각속도에서의 변화에 대한 저항을 나타내는 양을 말한다. 이것은 물체의 질량뿐만 아니라 돌림축에 대한 질량분포에 의해서도 중요한 영향을 받는다.

 

인간의 움직임은 선형운동보다는 각운동이어서 이것에 대해 개념은 매우 중요하다. 

 

어떤 사람이 달리기를 한다고 가정해본다. 다리의 차이인 무릎 굽힘의 각도 차이 때문에 엉덩관절에 대한 정강이 및 발 분절의 질량중심과의 거리는 변화가 있게 된다. 한쪽 다리의 폄 된 다리는 다른 쪽에 비해 더 큰 질량관성모멘트를 갖게 된다. 따라서, 폄 된 다리는 좀 더 멀리 떨어져 움직이기 때문에 더 큰 질량관성모멘트를 가지게 된다.

 

예를 들어, 달리기의 흔듦기 동안, 무릎 굽힘과 발목 발등굽힘의 결합 움직임에 의해 다리 전체 길이는 기능적으로 짧아진다. 다리의 감소된 질량관성모멘트는 흔듦기 동안 다리를 가속시키고 감속시키기 위해 엉덩관절 근육에서 요구되는 토크를 감속시킨다. 

 

달리기의 흔듦기를 하는 동안 무릎은 거의 완전히 편 상태가 될 때와 거의 완전히 굽힘 된 상태로 비교하면 쉽게 평가할 수 있다.

 

이것은 재활이나 여가 생활에 적용되는데, 어떤 사람이 가벼운 신발에서 무거운 신발로 갈아 신었을 때 걷기를 위한 질량관성모멘트에서의 변화와 다이빙을 하는 선수가 공중에 떠 있는 동안 공중제비를 성공적으로 하기 위해 질량관성모멘트를 감소시킨다. 다이빙 선수는 완전 구부린 자세를 취하여 분절들의 질량중심을 더 돌림축에 가깝게 위치시킨다.

 

대조적으로 반 구부린 자세를 취하여 질량관성모메트를 증가시켜 돌림운동을 느리게 하거나 편 자세를 함으로써 질량관성모멘트를 최대화하여 각속도를 가장 느리게 한다.