안녕하세요 몸의 기능을 관리하는 기능치료사입니다.
물리치료의 기본 서적 뉴만의 정복을 돕기 위해 최대한 쉽게 설명하려 합니다.
오늘은 근육뼈대의 지레에 대해 알아보겠습니다.
지레의 종류엔 제1형 지레, 제2형 지레, 제3형 지레가 있고, 각 지레는 힘의 역학적인 부분에서 중요한 역할을 합니다.
지레란?(Lever)
지레는 막대를 이용하여 힘을 전달하는 도구입니다. 막대를 받치고 있는 지점을 "받침점", 힘을 가하는 지점을 "힘점", 지레가 움직여 물체에 힘이 작용하는 지점을 "작용점"이라고 합니다.
인체에서의 막대는 "뼈"이고, 받침점은 "관절", 힘점은 "내적인 힘(근육)", 작용점은 "외적인 힘(체중, 중력, 저항값 등"입니다. 내적인 힘과 외적인 힘들은 뼈의 지레 시스템을 통해 힘을 생산해 냅니다. 즉, 내적인 힘인 근육과 외적인 힘들은 각 관절의 지렛대 유형에 맞게 자세나 움직임을 조절합니다.
지레엔 3가지 유형이 있습니다. 안정과 평형에 유리한 제1형 지레, 힘의 이득이 큰 제2형 지레, 인체에서 제일 많이 사용되는 제3형 제레가 있습니다.
제1형 지레 (First-class lever)
제1형 지레는 서로 맞대고 있는 힘들 사이에 축이 있는 것을 말합니다. 그림으로 보자면 축이 있고 축을 기준으로 양쪽에 작용점과 힘점이 있습니다. 이때 힘점과 받침점의 거리(내전인 모멘트 팔)가 작용점과 받침점의 거리(외적인 모멘트 팔) 보다 길어질수록 힘의 이득을 가져갈 수 있습니다. 시소를 생각해보면 이해가 쉽습니다. 무게가 같다면 받침점보다 멀리 있는 사람 쪽으로 시소는 내려가게 되어 있습니다.
인체에서는 뒤통수뼈(occiput)와 목뼈 1번(atlas)에서 제1형 지레를 찾아볼 수 있습니다. 그림으로 보면 뒤통수뼈와 목뼈 1번이 관절하는 부분이 받침점이 되고, 목을 폄하는 근육이 힘점이 되며, 중력에 의해 관절 앞부분으로 머리가 굽힘 되려 하는 머리 무게가 작용점이 됩니다. 이때 목을 폄하는 근육인 힘점과 머리 무게인 작용점의 거리가 일정해야 자세를 유지할 수 있습니다. 거리가 달라지거나 힘점이 달라지게 되면 힘의 이점이 사라지게 되므로 자세가 변하게 됩니다.
제2형 지레 (Second-class lever)
제2형 지레는 받침점이 뼈(막대)의 끝부분에 위치하며 내적인 힘(힘점)이 외적인 힘(작용점) 보다 더 큰 지레(거리)를 갖는 것을 말합니다. 받침점이 끝부분에 위치하며 힘점의 거리가 더 길기 때문에 작용점을 움직일 때 힘을 덜 들여 움직일 수 있는 힘의 이득이 생기게 됩니다. 무거운 물건을 적은 힘으로 움직일 수 있는 방법으로 힘의 효율이 생기게 됩니다. 단, 힘의 효율이 생긴만큼 움직임의 거리가 줄어들게 됩니다.
인체 내에선 흔하지 않은 지레 형태이며, 발허리발가락관절(metatarsophalangeal joint)에서 일어납니다. 선 자세에서 발가락으로 땅을 지지하고 발뒤꿈치를 드는 움직임이며, 이때 장딴지 근육(calf muscle)은 몸 전체의 체중을 들어 올릴만한 힘을 내야 합니다. 체중을 전체적으로 들어 올리기엔 힘이 부족하기 때문에 제2형 지렛대를 이용하여 적은 힘으로 체중을 들어 올릴 수 있습니다. 힘의 이점은 있지만 큰 움직임을 낼 수 없기에 거리에 대한 효율은 떨어지게 됩니다.
제3형 지레 (Third-class lever)
제3형 지레는 받침점이 뼈(막대)의 끝부분에 위치하며 내적인 힘(힘점)이 외적인 힘(작용점) 보다 더 작은 지레(거리)를 갖는 것을 말합니다. 받침점이 끝부분에 위치하며 힘점의 거리가 더 짧기 때문에 작용점을 움직일 때 더 많은 힘을 주어야 합니다. 큰 힘을 짧은 거리만큼 내어 큰 움직임을 만들어 내는 움직임과 속도에 대한 이점이 있는 지레입니다.
인체 내에서 가장 흔한 지레 형태이며, 팔꿈치관절, 어깨관절, 무릎관절, 엉덩관절 등 다양한 관절에서 이러한 형태의 지레를 사용합니다. 팔꿈치관절을 예로 들자면 팔꿈치관절이 받침점이 되고 그것을 들어 올리는 근육(biceps brachii, brachialis 등) 이 힘점이 되며, 손의 맨 끝 부분이 작용점이 됩니다. 근육의 큰 힘을 사용하여 순식간에 물건을 들거나 크게 움직여야 하므로 제3형 지레가 인체의 움직임에 가장 적합한 지레 형태가 됩니다.
역학적 이득(Mechanical advantage)
근육뼈대 지레의 역학적 이득은 외적인 힘(작용점) x 작용점과 받침점과의 거리(외적인 모멘트 팔)와 내적인 힘(근육) x 힘점과 받침점과의 거리(내적인 모멘트 팔)의 비율로써 정의될 수 있습니다. 이 비율이 같을 때 몸의 균형을 갖게 됩니다.
내적인 모멘트 팔 x 내적인 힘(힘점) = 외적인 모멘트 팔 x 외적인 힘
의 수식이 나오게 되고
내적인 모멘트 팔 / 외적인 모멘트 팔 = 외적인 힘 / 내적인 힘
의 수식으로 바꿀 수 있습니다. 인체에서는 기본적으로 내적인 모멘트 팔 / 외적인 모멘트 팔이 역학적 이득의 기준이 됩니다.
역학적 이득을 내적인 모멘트 팔 / 외적인 모멘트 팔의 비율로 기준을 잡는다면 제1형은 <1, =1, >1이 전부 가능하고, 제2형은 항상 >1이며, 제3형은 항상 <1입니다.
각 지레의 형태에서 균형을 잡기 위해선 이러한 수식에 따라 힘이나 모멘트 팔의 거리를 맞추어야 합니다.
제 1형은 힘점과 작용점의 거리의 비율이 달라질 수 있지만, 제 2형은 힘점이 항상 길고, 제 3형은 작용점이 항상 길기 때문입니다.
제1형 지레 (받침점이 바뀔 수 있어 역학적 이득이 언제든 변할 수 있음)
제2형 지레 (항상 내적인 모멘트 팔이 크기 때문에 역학적 이득이 1보다 크다, >1)
제3형 지레 (항상 외적인 모멘트 팔이 크기 때문에 역학적 이득이 1보다 작다, <1)
인체는 작용점이 손이나 발과 같이 비교적 관절의 먼 쪽에 이루어져 있기 때문에 대부분 제3형 지레로 이루어져 있습니다. 역학적 이득에서 항상 <1을 유지하기 때문에 외적인 부하를 이겨내기 위해 외적인 부하보다 몇 배나 더 큰 힘을 생산해야 합니다.
힘과 거리의 맞교환 (제3형 지레는 효율적이지 않은가?)
뼈대 근육은 주로 제3형 지레를 사용하기 때문에 외부의 저항보다 더 큰 힘을 생산해야 합니다. 이러한 지레 형태는 우리 몸에 불리한 것처럼 보입니다. 그러나 우리의 몸의 목적을 살펴볼 필요가 있습니다. 제1형 지레는 목뼈를 안정화시키는 데에 사용되고, 제2형 지레는 작은 힘으로 큰 몸을 움직이는 역할을 하며, 제3형 지레는 큰 힘으로 빠르고 큰 움직임을 내는데 도움이 됩니다. 사지 관절 즉, 팔다리는 상황에 따라 큰 움직임과 빠른 속도의 기능적 움직임이 필요합니다. 비록 많은 힘을 사용해야 하지만 빠르게 큰 거리를 이동시키는 것이 더 효율적입니다. 따라서 제3형의 지레는 실제 움직임에 비해 짧은 근육을 사용하여 큰 움직임을 만드는데 효율적인 힘을 쓰는 방법입니다.