[1] 운동학
학습포인트 |
뼈의 운동형상학적 특징에 대한 특징 및 지렛대에 대한 출제 빈도가 높아지고 있어(해당 근육 및 움직임의 원리) 이에 대한 중점적인 학습이 요구된다. |
중요포인트 | 출제연도 |
뼈 운동형상학 | 24 25 |
운동사슬 | 19 20 21 |
인체의 중력선 | 20 21 |
자유도 | 20 26 |
토크 | 22 23 25 |
지렛대 | 21 23 26 |
[1] 운동학
1. 운동학(kinesiology)
• 그리스어로 움직인다는 뜻인 kinesis와 학문이라는 뜻인 ology의 합성어
• 움직임을 연구하는 학문
1) 용어
역학(mechanics) | • 힘과 운동에 관한 것을 연구하는 학문 |
생체역학(biomechanics) | • 움직임에 대한 역학적 원리를 인체나 동물조직에 적용하는 학문 |
운동학(kinesiology) | • 움직임을 연구하는 학문 |
임상운동학(clinical kinesiology) | • 임상과 관련된 인체의 운동과, 이와 연관된 운동기관의 기전 및 장애 등을 연구하는 학문 |
2) 역학의 분류
운동형상학(kinematics) | 운동역학(kinetics) |
• 운동을 만들어내는 힘이나 토크는 고려하지 않고 물체의 운동만을 묘사하는 생체역학의 한 분야 • 뼈운동형상학(osteokinematics) –신체에 대한 3가지 기본적인 면에서 일어나는 뼈의 운동을 묘사하는 학문 • 관절운동형상학(arthrokinematics) –관절면 사이에서 일어나는 운동을 설명하고 연구하는 학문 • 속도, 가속도, 각도, 무게중심의 변화 | • 운동을 만들어내는 힘의 효과에 대해 설명하는 역학의 한 분야 • 동역학(dynamics) –힘이 작용되어 평형상태가 아닌 가속이나 감속 중의 운동상태에 있는 것을 연구하는 학문 • 정역학(statics) –물체가 평형상태(정지상태 혹은 일정한 운동상태)에 있을 때 나타나는 힘이나 물체의 변형 등을 다루는 학문 • 압력, 지면반발력, 관절토크 |
2. 운동형상학(kinematics)
뼈운동형상학과 관절운동형상학으로 분류
▣ 운동의 종류 24
병진운동 | • 강체(rigid body)의 모든 부분이 같은 방향으로 움직임 • 직선운동, 곡선운동(걷는 동안 머리 위의 한 지점 연결) |
회전(돌림)운동 | • 축을 중심으로 일어나는 운동, 각운동, 돌림 |
그림 머리의 정점에 있는 한 지점이 걷는 동안 곡선의 방식으로 위와 아래 방향으로 병진운동하는 것을 보여준다.
그림 팔꿈치의 돌림축에 대한 아래팔의 돌림운동
1) 뼈운동형상학
해부학적 위치를 기준으로 시상면, 관상면(이마면), 수평면(횡단면)으로 구분
▣ 축과 면(axis & plane) 22
면(plane) | 축(axis) | 인체에서 일어나는 관련 움직임 |
시상면(sagittal) | 관상축(frontal) | • 관상축을 중심으로 좌/우로 분리하는 수직평면, 좌우대칭 • 운동: 굽힘/폄, 발등굽힘/발바닥굽힘, 앞쪽굽힘/뒤쪽굽힘 |
관상면(frontal) | 시상축(sagittal) | • 시상축을 중심으로 앞/뒤로 나누는 면 • 운동: 모음/벌림, 노쪽편위/자쪽편위, 바깥굽힘/안쪽굽힘 |
수평면(horizontal) | 수직축(vertical) | • 수직축(세로축)을 중심으로 상/하로 나누는 면 • 운동: 안쪽돌림/가쪽돌림, 축돌림 |
• 손목관절에서는 벌림과 모음이라는 용어 대신 노쪽편위(radial deviation), 자쪽편위(ulnar deviation)라고 함
• 발목관절에서 발등 방향으로의 운동은 발등굽힘(dorsiflexion), 발바닥 쪽으로의 운동은 발바닥굽힘(plantar flexion)이라고 함
그림 움직임의 면
▣ 운동의 자유도(degree of freedom) 26
• 관절에서 허용되는 독립적인 움직임의 수
• 관절이 3개의 기본적인 운동면 모두에서 움직임을 허용하면 자유도가 3
운동자유도 | 관절/움직임 | 인체 해당 관절 |
1 운동축 1개 운동면 1개 | • 경첩관절/굽힘, 폄 | • 팔꿉관절, 손/발가락뼈사이관절, 발목관절 |
• 중쇠관절/축돌림 | • 노자관절(엎침과 뒤침), 고리뒤통수관절 | |
2 운동축 2개 운동면 2개 | • 관절융기관절/굽힘, 폄, 벌림, 모음 | • 손목관절, 무릎관절 • 손(발)허리손(발)가락관절 |
• 안장관절 | • 엄지의 손목손허리관절, 복장빗장관절 | |
3 운동축 3개 운동면 3개 | • 절구관절/굽힘·폄, 벌림·모음, 가쪽돌림·안쪽돌림 | • 어깨관절, 엉덩관절 • 3개의 운동축은 X, Y, Z축을 말하고 이는 3차원에서 움직임 |
▣ 운동사슬(kinematic chain) 22
연속되어 있는 지절을 연결하는 몇몇 관절의 자유도 결합, 자유도는 몸쪽분절보다 먼쪽분절이 큼
운동 종류 | 운동의 특징 | 인체움직임의 예 |
닫힌사슬운동 | • 한 관절의 운동이 다른 관절의 운동을 동반함 • 몸쪽관절은 고정되어 있고 먼쪽관절의 움직임이 있을 때 | • 체중부하운동, 손이나 발이 고정되거나 체중부하 상태에서 몸쪽에서 먼쪽으로 일어나는 운동 • 턱걸이, 팔굽혀펴기, 목발보행 시 팔의자에 앉을 때(발의 고정과 다리운동), 보행 시 디딤기 |
열린사슬운동 | • 한 관절에서의 운동이 다른 관절에의 운동과 동반되어야 가능할 때 • 먼쪽관절은 고정되어 있고 몸쪽관절의 움직임이 있을 때 | • 먼쪽분절이 움직이는 모든 운동, 밥 먹기, 공 던지기, 보행 시 흔듦기(swing phase) |
A. 열린사슬운동 B. 닫힌사슬운동
그림 무릎관절굽힘의 2가지 운동형상학
2) 관절운동형상학
관절면들 사이에서 일어나는 운동
▣ 관절의 운동
움직관절의 구조 | • 볼록–오목관절(convex–concave) –관절의 적합성 향상: 관절의 일치성과 안정성 향상 –관절의 표면적을 넓히면 접촉력이 넓어져 관절에 전해지는 충격이 분산됨 –뼈들 사이의 운동을 안내 |
관절운동 | • 미끄러짐운동 • 각운동–굽힘/폄/벌림/모음 • 돌림운동 • 회선운동 • 부가적 움직임(accessory movement) –대부분의 가동관절에서 일어나는 약간의 수동적 병진운동 –3개의 선형운동 방향 가능 –치료적 목적으로 joint play 시 활용 |
관절면에서의 운동 | • 스핀(spin): 고정된 역학적 축 중심, 순수한 회전성 운동(팽이) • 구르기(rolling): 한 관절면이 다른 관절면 위를 굴러갈 때(자동차 타이어) • 미끄러짐(sliding): 순수한 병진운동(자동차의 브레이크 제동 시) |
볼록면과 오목면과의 관계 | • 볼록면이 운동할 때: 뼈와 관절면의 운동방향은 반대 • 오목면이 운동할 때: 뼈와 관절면의 운동방향은 일치 |
3. 운동역학(kinetics)
물체의 운동을 일으키거나 정지시키는 힘에 대해 연구하는 학문
1) 힘(force)
① 어떤 물체의 모양이나 운동상태를 변화시키는 원인
힘의 구성(3요소) | • 크기(화살표의 길이) • 방향(화살표의 방향) • 작용점: 힘은 벡터양으로 화살표로 표시 |
합성과 분해 | • 두 힘이 같은 방향일 때, 두 힘의 크기는 합으로 합성 • 같은 양의 두 힘이 반대 방향일 때, 두 힘의 합성은 0(균형) • 크기가 다른 두 힘이 반대 방향일 때, 힘의 크기가 큰 방향으로 작용 • 서로 다른 크기의 두 힘이 각을 이룬 방향일 때, 두 힘의 평행선을 긋고 두 선이 만나는 곳과 원점과의 이은 선의 방향과 크기가 힘의 합성(평행사변형법) • 합성된 힘의 분해는 합성하는 방법의 역으로 계산 |
돌림운동 | • 고정된 한 점을 중심으로 일어나는 운동 • 움직이는 면에서 90°로 볼 때 효율이 가장 높음 |
끄는 힘의 각도 | • 힘은 물체 면에서 수직으로 작용 시 가장 효과적 • 근육의 정지와 움직이는 뼈의 각도에 따라 효율이 다름 |
② 치료적으로 사용되는 힘의 형태
힘 | 설명 |
중력(gravity) | • 신체 각 부분의 무게, 부목, 석고붕대, 식사도구, 책과 같은 부착물의 무게, 물체를 지면에서 수직으로 당기는 힘 |
근육(muscles) | • 능동적 수축이나 수동적 신장에 의해서 힘이 발생되고 뼈 위에 작용 |
외적저항 (external applied resistance) | • 도르래, 손에 의한 저항, 문·창문 등에 의해 인체에 가해지는 저항, 아령, 모래주머니 |
마찰(friction) | • 적절하면 안정성을 제공하고, 너무 심하면 운동을 방해하고, 부적절하면 불안정 |
2) 운동의 3법칙(뉴턴의 3법칙)
운동법칙 | 특징 |
제1법칙 (관성의 법칙) | • 물체에 외력이 작용하지 않으면, 정지하여 있는 물체는 영원히 정지하여 있고 운동하고 있는 물체는 등속도 직선운동을 영원히 한다는 법칙 |
제2법칙 (가속도의 법칙) | • 물체에 힘이 작용하면, 그 힘의 방향에 가속도가 생기고 가속도의 크기는 작용한 힘(F)에 비례하며 물체의 질량(m)에 반비례한다는 법칙 • 힘의 방향과 가속도의 방향은 같음(질량 = 관성의 질량) F = m×a (m = 질량, a = 가속도) |
제3법칙 (작용과 반작용의 법칙) | • 한 물체가 다른 물체에 힘을 작용하면, 힘을 받는 물체는 힘을 작용한 물체에게 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 작용한다는 법칙 |
3) 내적인 힘/외적인 힘
① 내적인 힘: 신체의 내부에 위치한 구조들로부터 생산. 능동적인 힘(근육) 혹은 수동적인 힘(늘임된 관절주위 결합조직에서 생산된 장력)
② 외적인 힘: 신체의 외부에 작용하는 힘에 의해 생산. 중력과 환자의 팔다리에 대해 치료사가 적용하는 신체적 접촉
그림 위팔두갈래근에 의해 제공된 내적인 힘과 중력에 의해 제공된 외적인 힘을 보여주고 있는 팔의 시상면
4) 회전력(torque) 22 23 25
① 돌림축을 중심으로 돌림시키려는 힘의 효과
T(회전력) = F(적용되는 힘) ×d(최단 수직거리) |
② 짝힘(couple force) 25
• 돌림축을 중심으로 두 곳 이상에서 같은 방향으로 힘이 작용하는 것
• 골반의 앞기울임(pelvic anterior tilt): 척주세움근(erector spinae), 넙다리빗근(sartorius)
• 골반의 뒤기울임(pelvic posterior tilt): 배곧은근(rectus abdominis), 큰볼기근(gluteus maximus), 넙다리뒤근(hamstring)
그림 골반의 앞기울임
그림 골반의 뒤기울임
5) 활차(pulleys)
① 힘의 방향을 바꾸거나 역학적 이득을 얻기 위한 기구
② 저항운동이나 능동보조운동 등의 수단
③ 기계적 이득(mechanical advantage)
MA(기계적 이득) = 무게/힘 |
④ 활차의 종류
• 고정활차: 힘의 이득은 없으며, 방향을 전환하는 데만 사용 → 긴종아리근(peroneus longus)
• 가동활차: 힘의 1/2, 움직인 거리가 두 배이므로 실제 일에 대한 이득은 없음 → 중간어깨세모근(deltoid middle)
• 복합활차: 고정활차와 가동활차를 복합, 운동기구 중 이중활차
4. 균형 = 안정성
• 물체의 균형은 안정성과 관련
• 기립자세는 중심이 높고, 머리부터 발바닥까지 다양한 관절 위에 균형을 유지하여 발바닥의 좁은 지지면에 균형을 유지해야 하므로 불안정한 자세임
• 안정성의 4대 요소: 기저면의 크기, 중심의 높이, 바닥면 중앙의 중력선, 물체의 무게
균형이 좋아지려면(= 안정성이 높아지려면) | • 바닥면의 크기가 클수록 • 중력중심점의 높이가 낮을수록 • 중력중심선의 위치가 바닥면 중심일수록 • 물체의 질량이 클수록 • 마찰이 클수록 • 외력이 없을수록 |
5. 인체의 중력선(gravity line)
해부학적인 자세에서 위로부터 바깥귀–중간목뼈–등뼈의 앞면–중간허리뼈–둘째엉치뼈의 앞면(S2)–엉덩관절의 중심–무릎관절의 앞쪽–발목관절의 앞쪽을 통과
6. 지렛대 구성과 종류
• 지렛대의 목적: 힘의 방향, 크기, 운동의 속도를 바꾸기 위하여
• 인체 지렛대의 구성요소: 근력, 분절의 무게, 외부의 저항, 관절력
1) 구성요소
힘팔(FA) | • 주로 뼈에 의해 구성되고 힘팔(FA)과 무게팔(WA)로 나뉨 • 거리 개념 |
받침점(F, fulcrum) | • 운동 중심축으로 고정된 점, 관절 |
무게(W, weight) | • 운동 반대방향으로 작용하는 힘으로, 외력이나 뼈의 무게 |
힘(E, effort) | • 운동을 일으키는 원동력으로, 근육의 수축력 • 받침점에서 힘의 효과가 나타나는 곳까지의 거리(예 근육수축) |
지렛대(lever) | • 뼈 |
• 기계적 이득(역학적 이득)은 지렛대의 효율을 말하며, 보통 힘팔과 무게팔의 비율로 결정
MA(기계적 이득) = 힘팔/무게팔 |
• 기계적 이득이 큰 순서: 제2형 지렛대 ＞ 제1형 지렛대 ＞ 제3형 지렛대
2) 지렛대의 종류 21 23 26
제1형 지렛대 (stability) | • 축이 무게와 힘 사이에 존재 • 균형의 이점, MA = 1 • 인체의 예: 고리뒤통수관절(중립자세, 뒤머리곧은근), 중간볼기근(한 발로 서기), 위팔세갈래근(팔꿉관절 굽힘 시), 골반기울임운동(엉덩관절 폄) • 일상생활의 예: 가위, 시소 |
제2형 지렛대 (power) | • 무게가 축과 힘 사이에 존재 • 힘의 이점, MA는 항상 ‘1’을 넘음 • 힘팔이 무게팔보다 항상 큼 • 인체의 예: 장딴지근(발허리발가락관절이 축으로 작용), 위팔노근 • 일상생활의 예: 손수레 |
제3형 지렛대 (speed) | • 힘이 축과 무게 사이에 존재 • 속력의 이점, 가동범위의 이점, MA는 ‘1’보다 작음 • 인체의 예: 위팔두갈래근(biceps brachii), 넙다리네갈래근(quadriceps femoris) • 일상생활의 예: 핀셋 |
• 두 개의 관절을 지나는 넙다리뒤근의 경우 엉덩관절에서는 제1형 지렛대, 무릎관절에서는 제3형 지렛대로 작용하고 위팔노근이 굽힘작용을 할 때는 제3형 지렛대, 폄작용을 할 때는 제2형 지렛대로 작용
A. 제1형 지레(first–class lever)
B. 제2형 지레(second–class lever)
C. 제3형 지레(third–class lever)
그림 제1, 2, 3형 지레 시스템
TIP | ||||||||||||
|
TIP |
운동의 지렛대 뼈의 기본적 특징과 성장 • 뼈는 운동학에서 힘팔로, 지렛대로 이용됨 • 뼈조직의 기본구성: 뼈세포, 뼈바탕질, 아교섬유 등 • 뼈세포의 4가지 유형: 뼈모세포, 뼈파괴세포, 뼈세포, 미분화 간엽세포(뼈의 바깥을 싸고 있는 골막과 뼈의 내부공간에 주로 있으며, 새로운 뼈모세포와 뼈파괴세포를 형성) |
뼈의 세부구조 | • 뼈층판 • 하버스관: 중심관으로, 혈관과 신경이 지나는 세로관 • 볼크만관: 하버스관과 하버스관을 연결하는 가로관 |
뼈 성장에 관여하는 세포 | • 뼈모세포: 뼈 바탕질에 유기물과 아교섬유의 전 단계 물질을 분비하여 뼈 형성 • 뼈세포: 뼈가 형성되어 기질에 의해 둘러싸여 있으며 성숙된 뼈에 분포 • 뼈파괴세포: 뼈모세포에 의해 과도하게 형성된 뼈는 기능에 맞게 적응이 되어야 함. 그 과정에서 적절한 기능을 할 수 있도록 뼈의 흡수에 관여함 |
뼈의 성장인자 | • 운동(스트레스를 받는 쪽에 골성분의 밀도가 높아짐) • 에스트로겐와 안드로젠: 뼈모세포의 활동 촉진 • 갑상샘호르몬(칼시토닌): 뼈모세포 활동을 억제하고 체액의 칼슘농도 저하 • 부갑상샘호르몬(부갑상샘호르몬): 혈중 칼슘농도 증가 • 성장호르몬: 뼈모세포의 활동 촉진 • 혈액 내의 칼슘과 인(calcium and phosphorus)의 농도 비율 • 칼시토닌(calcitonin): 뼈모세포 활동을 억제하고 혈중 칼슘농도 저하 • 비타민 A, C, D 등 |
긴뼈의 성장 | • 연골속뼈되기(endochondral ossification)로 성장 • 연골모형이 형성되고 다시 뼈로 변화되면서 성장을 계속함 • 길이 성장: 긴뼈의 뼈끝판(epiphyseal plate)이 연골속뼈발생에 의해서 계속 길어짐. 성장이 완성되면 연골생산은 중단되고, 뼈끝판은 치밀뼈로 대치되면서 성장이 계속됨 • 부피 성장: 뼈파괴세포가 뼈속막에서 분화되어 기능적으로 필요없는 뼈조직을 파괴·제거시켜 뼈 속 공간을 확장 → 뼈모세포(osteoblast)는 뼈막에서 분화되어 뼈조직을 형성 → 작은 뼈속질공간을 가진 가느다란 뼈가 큰 뼈속질공간을 가진 굵은 뼈로 성장 |
납작뼈의 성장 | • 막속뼈되기(intramembranous ossification): 간엽성 세포들이 증식하여 막의 형태(섬유성 치밀결합조직)를 형성 → 막이 직접 뼈로 변화(일차 해면뼈 생성 후 치밀뼈 형성) |
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