오늘은 달리기와 관련한 생체역학에 대해 말씀드리고자 합니다.
시작하기 전 달리기와 공룡에 대해 재미있는 이야기를 들려드리겠습니다. 대부분의 사람들이 TV에서 티라노사우르스가 빠른 속도로 자동차에 탄 사람을 쫓는 장면을 봤을 것입니다. 이 장면을 토대로 티라노사우르스가 시속 40km 이상의 속도로 달릴 수 있다고 추측하기도 하였습니다. 하지만, 2002년 허치슨(John Hutchinson)은 생체역학 연구를 통해 티라노사우르스의 몸은 달릴 수 없었을 가능성이 크다는 것을 증명하였습니다. 이를 위해 티라노사우르스를 시뮬레이션하였고, 빠른 속도를 내기 위해서는 충분한 지면 반력을 생성해야 하며, 몸무게의 86%가 다리 근육이어야 한다고 하였습니다. 이는 큰 꼬리, 머리 그리고 몸통 무게를 고려할 때 불가능합니다. 걷는 것과 다르게 달릴 때 발생하는 지면 반력은 체중의 2배 이상입니다. 이러한 이야기가 무슨 의미인지 의아해할지도 모르겠지만, 공룡, 코끼리, 캥거루 같은 동물 연구는 걷기에서 달리기로 전환되는 과정에 대한 인간 달리기에 대한 이해를 줄 수 있으며, 지면 반력 측정을 통해 왜 달리기 시 부상이 더 많이 발생하는지에 대해 알 수 있습니다.
1. 달리기 보행 주기
달리기 보행 주기는 걷기와 동일하게 한쪽 다리가 지면을 지지하는 입각기(stance phase)와, 공중에 떠 있는 유각기(swing phase)를 번갈아 가며 수행합니다. 하지만, 보행 주기와 다르게 입각기는 전체 보행의 35~45%를 차지하며, 스프린트(sprint)시에는 그 비율이 약 25% 이하로 떨어지며, 두 발이 동시에 지면에 닿아 있는 이중 지지(double-support) 단계가 짧아지게 됩니다.
달리기 보행 주기와 측정 지표
달리기 보행 주기를 측정하는 지표는 걷기와 비슷합니다.
- 보폭(step length) : 연속적인 두 발자국 사이의 거리
- 걸음 길이/활보(stride length) : 한 보행 주기
- 케이던스: step frequency/60(s)
- 달리기 속도(m/s): 보폭 x 보행 빈도
아래 걷기시 보행 주기에 대한 글 참고하시면 도움이 될 것 같습니다.
[Biomechanics of Movement - 2] 인간의 보행 역학: 보행 주기, 지면 반력, 그리고 에너지 효율성
보행 주기, 지면 반력 그리고 에너지 효율성을 통한 인간의 보행 역학의 이해오늘은 보행 주기(Gait cycle)와 지면 반력(Ground Reaction Force; GRF)을 활용하고 에너지 효울은 어떻게 사용하는지 등 보행
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2. 지면 반력
아래 그림들은 달리기 시 지면 반발력을 보여줍니다. 일반적으로 우리가 달릴 때 발 뒷부분(heel-strike)부터 착지하는 리어풋 방법과 앞 쪽으로 착지하는 포어풋(forefoot) 방법으로 구분됩니다.
* 여기에서 미드풋(midfoot)은 생략하도록 하겠습니다.
1) 리어풋 러너
발 뒤꿈치로 착지할 때 지면반력은 이중 봉우리(double-peaked) 형태가 나타납니다. 첫 번째 봉우리에서 발뒤꿈치가 착지(heel-strike)할 때, 두 번째 봉우리는 몸이 앞으로 나아가면서 발 전체가 지면을 밀어내면서 생성됩니다. 이때 수직 지면 반력은 체중의 약 2배까지 증가하며, 수평 지면 반력은 착지 초기에는 뒤로 작용하여 속도가 느려지고난 후 전방으로 이동하면서 속도를 증가시킵니다. 따라서, 무릎과 허리에 큰 충격이 전달되어 슬개대퇴통증증후군이나 정강이 통증 및 발목 염좌 들 부상의 위험이 있습니다.
2) 포어풋 러너
이 경우 주로 어릴 때부터 맨발로 달리기를 한 러너들에게서 보이는 형태입니다. 발 앞꿈치로 착지하며, 지면 반발력이 이중 봉우리 형태가 아닌 하나의 완만한 봉우리 형태를 보입니다. 이러한 달리기 방법은 보다 자연스러우며, 뒤꿈치로 착지로 인해 발생하는 처음 피크가 사라져 충격과 관련된 부상에서 보다 안전합니다. 하지만, 포어풋 형태의 달리기는 발목, 종아리 근육에서 충격을 흡수하기 때문에 무릎 부상의 위험은 적으나, 오래 지속되면 종아리와 아킬레스건의 피로도가 증가하여 부상을 유발할 수 있습니다. 최근에는 리어풋 러너가 포어풋으로 바꾸는 경우에 대해 의문을 제기하고 있으나, 적절한 훈련이 없이는 부상의 위험이 있을 수 있습니다.
3) 운동 에너지와 위치 에너지
중력 위치 에너지는 비행 구간(midflight)에서 가장 높게 나타납니다. 달릴 때에는 걷기에서 전방 운동 에너지와 중력 위치 에너지 사이에 교환이 일어나는 것과 다르게 전방 운동 에너지와 중력 위치 에너지가 동시에 최대치에 도달하고 둘 다 중간 위치(midstance)에서 가장 낮으며, 중력 중심(center of mass)이 가장 낮을 때 속도도 가장 낮아지게 됩니다. 달릴 때 에너지 교환이 일어나지 않는 것은 근육과 힘줄이 신축과 반동을 통해 탄성 잠재 에너지를 저장하고 방출하게 되며, 이러한 탄성 작용이 에너지 효율적인 달리기를 가능하게 합니다.
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