무릎뼈(patella)는 인체에서 가장 큰 종자뼈(sesamoid bone)로, 넙다리네갈래근(quadriceps femoris)의 힘줄 속에 묻혀 있어 무릎관절의 폄(extension) 기전에서 도르래(pulley) 역할을 합니다. 무릎뼈가 넙다리네갈래근 힘줄을 앞쪽으로 밀어내면, 힘줄이 작용하는 힘의 방향과 무릎관절의 회전축 사이 거리가 멀어지게 됩니다. 이 거리가 바로
내적 모멘트팔(internal moment arm)이며, 무릎뼈가 있음으로써 이 모멘트팔이 증가합니다
[1][2].
토크(torque)는 힘과 모멘트팔의 곱으로 산출됩니다. 넙다리네갈래근이 내는 힘의 크기가 같더라도 모멘트팔이 커지면 무릎관절에 작용하는
폄 토크(extension torque)가 증가합니다. 따라서 무릎뼈의 도르래 기능은 넙다리네갈래근이 더 적은 수축력으로도 동일한 폄 토크를 만들 수 있게 하여, 무릎 폄 동작의 효율을 높입니다
[2][4].
반대로 무릎뼈가 없거나 두께가 얇아지면 모멘트팔이 줄어들고, 같은 토크를 만들기 위해 넙다리네갈래근이 더 큰 힘을 내야 합니다. 인공관절치환술(TKA)에서 무릎뼈 두께를 자연 상태보다 두껍게 하면 폄 기전의 모멘트팔이 증가할 수 있지만, 폄 기구(extensor apparatus)에 과도한 긴장을 유발할 수 있어 임상적으로는 신중하게 결정합니다
[2].
혼동 주의! 모멘트팔(moment arm)과 지레팔(lever arm)은 다릅니다. 무릎뼈는 넙다리네갈래근 힘줄의 위치를 바꾸어
내적 모멘트팔을 증가시키지만, 뼈 자체의 길이인 지레팔을 늘리지는 않습니다. 보기 5번의 '지레팔 길이 감소'는 무릎뼈의 기능과 반대 방향의 서술입니다.
무릎뼈는 충격을 분산하고 무릎관절을 보호·안정화하는 기능도 함께 수행하지만
[1], 문제에서 묻는 '도르래 역할'로 얻는 직접적인 기계적 이점은 모멘트팔 증가와 그에 따른 토크 증가입니다.
핵심! 무릎뼈가 넙다리네갈래근 힘줄을 앞쪽으로 이동시키면
무릎 폄근의 모멘트팔이 증가하고, 결과적으로 폄 토크가 커진다는 인과 관계를 기억해야 합니다
[2][4].
참고 문헌 (논문 출처)
- [1]
Deciphering the influence of evolutionary legacy and functional constraints on the patella: an example in modern rhinoceroses amongst perissodactyls.일반논문Mallet C, Houssaye A. (2024) · DOI: 10.7717/peerj.18067
- [2]
Patellar thickness can critically impact knee joint biomechanics after total knee arthroplasty.일반논문Guo N, Maas A, Grupp TM, Schütz P, Windhagen H, Taylor WR, Hosseini Nasab SH. (2026) · DOI: 10.1302/2046-3758.155.bjr-2025-0055.r2
- [4]
High-grade trochlear dysplasia increases patellofemoral joint pressure and decreases the knee extension torque, and tibial tubercle anteriorisation does not correct these effects: Biomechanical study in vitro.일반논문Dan M, Moralidou M, Kuder I, van Arkel RJ, Dejour D, Amis AA. (2025) · DOI: 10.1002/ksa.12570