6 장: 인간 골격근의 운동역학

6 장:

인간 골격근의 운동역학

The Biomechanics of the Human Skeletal Muscle

학습 목표

• 근-건 단위의 기본적인 활동 특성을 구별할 수 있다.

• 근 기능에 대한 근섬유 형태와 근섬유 구조와의 관계를 설명할 수 있다.

• 골격근 기능이 어떻게 인체의 협응화된 움직임을 생성하는지 설명할 수 있다.

• 힘-속도, 길이-장력 관계의 효과와 근 기능의 전기역학적 지연에 대해서 논의할 수 있다.

• 운동역학적 관점에서 근력, 파워, 지구력의 개념을 논의할 수 있다.

도입글

• 마라톤과 같은 지구력 운동에서 뛰어난 기량을 발휘할 수 있는 요인은 무엇인가?

• 투포환이나 단거리 경주와 같은 순발력 운동에서 뛰어난 기량을 발휘할 수 있는 요인은 무엇인가?

• 근신경계의 특성 중에서 움직임의 민첩성에 기여하는 것은 무엇인가?

• 근육통을 유발하는 운동에는 어떤 것이 있는가?

• 운동역학적으로 근력이란 무엇인가?

근건 단위의 활동 특성

• 근 조직의 활동 특성:

– 신장성(Extensibility) – 탄성(Elasticity)

– 감응성(Irritability)

– 장력 발휘 능력(Ability to develop tension)

• 활동 특성은 모든 근육에 적용:

– 심장근(Cardiac), 평활근(smooth),

골격근(skeletal)

신장성 및 탄성

• 신장성: 근육의 신전 또는 길이의 증가 능력

• 탄성: 신전 후에 안정시 길이로 돌아오는 능력 – 2가지 성분:

• 병렬탄성성분(Parallel elastic component, PEC) : 근막에서 이루어지는 근육의 수동적 탄성 특성

• 직렬탄성성분(Series elastic component, SEC) : 건에서 이루어지는 근육의 수동적 탄성 특성

• 수축성 성분(Contractile component)

– 자극을 받은 근 섬유에 의해 장력을 발휘할 수 있는 근육 특성

• 점탄성(Visoelastic)

감응성 및 장력 발휘 능력

• 감응성(Irritability)

– 전기적(활동전위) 또는 역학적(외부의 가격) 자극에 대해서 반응하는 능력

– 반응은 장력의 발휘를 의미

• 반드시 근육이 수축(contraction)하는 것은 아님

• 수축

–근육이 장력을 발휘하는 것과는 다른

근육의 길이가 짧아지는 능력

골격근의 구조

• 인체는 약 434개의 근육으로 구성 – 성인 체중의 약 40-45% 차지

– 75쌍의 근육이 신체 움직임과 자세 유지 역할 – 나머지 근육은 안구 조절 및 삼키기 역할

• 근육의 해부학 및 생리학적 특성:

– 생성된 힘의 크기 – 발휘된 힘의 속도

– 힘을 유지할 수 있는 시간의 길이

• 근육의 운동역학적 고려사항은 해부학 및 생리학적 특성에 영향을 받음

근 섬유 (Muscle Fibers)

• 근섬유막(sarcolemma)

• 근형질(sarcoplasm)

• 핵(nuclei)

• 미토콘드리아(mitochondria)

• 근원섬유(myofibrils)

• 근원세사(myofilaments)

• 근절(Sarcomere) – Z선(Z lines) – M선(M line) – A띠(A band)

– 마이오신 세사(myosin filaments)

– I때(I band)

– 액틴 세사(actin filaments) – H구역(H zone)

근 섬유

• 근수축 시: Z선이 A띠로 이동, A띠는 원 크기 유지, I밴드 좁아짐, H구역 사라짐.

• 근형질 세망(Sarcoplasmic Reticulum) – 가로세관(Transverse Tubules)

• 근내막(Endomysium) : 근 섬유를 둘러쌈

• 근외막(Perimysium) : 각 근다발(Fascicle)을 둘러쌈

• 근상막(Epimysium) : 근다발 그룹을 둘러쌈

• 성인의 근 섬유의 길이 및 직경은 매우 다양 – 근육 크기의 증가 : 근섬유 직경의 증가

– 훈련을 통해 일부 사람에게서 근섬유 비대, 근섬유 수 증가 발견

운동 단위

• 운동 단위:

– 하나의 운동 신경원과 그것에 의해 지배되는 모든 근섬유 (100~2000개)

– 눈과 손가락과 같은 정밀하게 조절 : 소수의 근섬유 – 비복과 같은 크고 강하게 조절 : 많은(큰) 운동단위

• 연축형(Twitch Type) : 단일 자극에 반응

• 긴장형(Tonic Type) : 단일 자극 이상이 요구

• 가중(Summation) : 연속적인 자극으로 장력이 상승

• 강축(Tetanus) : 반복자극으로 최대 장력을 유지

근섬유 종류

• 속근 섬유(Fast Twitch, FT) – Type IIa

– Type IIb

• 지근 섬유(Slow Twitch, ST) – Type I

• 최대 장력에 도달하는 시간 : FT가 ST의 1/7

• ST와 FT는 골격근을 함께 구성

– 근육별, 개인별 상대적인 양에는 차이가 있음

• 단거리 경주, 높이 뛰기(순발력 운동) : FT 섬유

• 장거리 달리기, 자전거, 수영(지구력 운동) : ST 섬유

근섬유 종류

• 트레이닝 효과:

– 지구력 트레이닝: ST 수축속도 20% 증가 – 저항 트레이닝: Type-IIb 에서 Type-IIa로

전환

• 엘리트 선수들의 섬유 형태 분포는 일반인들과 큰 차이가 없음

• 근섬유 구성에 영향을 미치는 2가지 요소:

– 연령: 점진적으로 감소

– 비만: Type IIb 섬유의 비율이 낮음

근섬유 구조

• 근 기능에 영향을 미치는 요인 – 근육 내 근섬유의 배열

• 근 수축 강도와 근육들이 신체분절을 움직일 수 있는 운동범위에 영향

• 2가지 근섬유 구조

– 평행섬유배열(Parallel fiber arrangement)

– 익상섬유배열(Pennate fiber arrangement)

평행섬유배열

• 평행섬유배열(Parallel fiber arrangement) – 근육 내의 섬유들이 근육의 장축과 거의

평행

– 봉공근(sartorius), 복직근(rectus

abdominis), 상완이두근(biceps brachii) – 근 섬유가 짧아지면서 장력이 발생

• 근육의 단축

익상섬유배열

• 익상섬유배열(Pennate fiber arrangement) – 근육의 장축에 일정각도로 섬유가 위치 – 섬유의 길이가 짧으며, 하나 이상의 건에

부착

– 후경골근(tibialis posterior), 대퇴직근(rectus femoris), 삼각근(deltoid)

– 근 섬유가 짧아지면서 장력이 발생

• 건에 부착된 근육의 익상 각도 증가

익상섬유배열의 특징

• 익상각이 커지면, 건 또는 뼈로 이동되는 힘은 적어짐

• 익상각이 60도 이상

– 근섬유가 실질적으로 생성하는 힘의 ½ 이하 발휘

• 동일한 크기의 평행섬유배열 근육보다 많은 힘을 생성 – 이유: 근육 부피당 많은 섬유가 분포

• 평행섬유배열 근육보다 전체적으로 근육을 훨씬 더 적게 단축

• 평행섬유배열 근육보다 더 작은 운동범위로 신체분절을 움직임

골격근의 기능

• 근육에서 발휘된 장력은 일정

• 근육에서 발휘된 장력(tensile force)은 관절에서 토크를 생성

– 토크 = 회전팔 × 근력

• 관절에서 토크 생성 요인 – 신체분절의 무게

– 신체에 작용하는 외력

– 관절을 가로지르는 근육에서의 장력 예) 상완이두근의 토크 [그림 6-13]

운동단위 동원

• 중추신경계(Central Nervous System)

– 움직임에 필요한 근 수축 속도와 크기를 조절

• 운동단위 동원 순서 – ST 섬유

– FOG 섬유

– FG 섬유

장력발생에 따른 근육 길이의 변화

• 단축성(Concentric)

– 근육 토크 >저항 토크  근육의 길이가 짧아짐 – 관절의 움직임 방향: 순 토크 방향

• 등척성(Isometric)

– 근육 토크 = 저항 토크  근육의 길이가 변하지 않음

– 바디 빌더

• 신장성(Eccentric)

– 근육 토크 <저항 토크  근육의 길이가 길어짐 – 관절의 움직임 방향: 순 토크 반대 방향

근육의 역할

• 주동근(Agonist)

• 길항근(Antagonist or opposers)

• 안정근(Stabilizer)

• 중립근(Neutralizer)

주동근(Agonist)

• 움직임을 일으키는 역할

• 신체 분절이 가속되는 동안에 활성

• 주동근의 2가지

– 주요(primary) & 협력(assistant or Secondary)

– 예) 전완 굴곡(forearm curl)

• 주요 주동근 : biceps brachii

• 협력 주동근 : brachioradialis, extensor

carpi radialis longus, pronator teres

길항근(Antagonist or opposers)

• 움직임을 천천히 하게 하거나 정지시키는 역할

• 주동근이 움직임을 일으킬 때, 신장성 장력(eccentric tension)을 발생

• 특히, 빠르고 강력한 움직임 말기에 움직임을

조절(controlling)하거나 정지(braking)시키는 역할

• 주동근과 길항근은 주로 관절의 반대편에 위치

• 신체분절이 감속되는 동안에 활성 – 예) 팔꿈치 굴곡

• 주동근 : brachialis, biceps brachii

• 길항근 : triceps

– 팔꿈치 신전 시에는 반대

안정근(Stabilizer)

• 신체 각 부분을 안정시키는 역할

• 다른 근육 또는 외부 물체와 같은 외부 저항으로부터 내부적으로 작용

• 예) 수상 스키 시 능형근(rhomboids)

– 로프에 대항하여 견갑골(scapulae)을

안정화 시키는 안정근 역할

중립근(Neutralizer)

• 주동근이 단축성 장력을 생성할 때, 불필요한 동작을 제거하는 역할

• 예) biceps brachii가 concentric tension을 생성하면, 팔꿈치 굴곡과 전완의

회외(supination) 동작이 발생 – 원회내근(Pronator teres)

• 팔꿈치 굴곡만을 필요로 할 경우, 전완의

회외를 방해하는 중립근 역할 수행

근육의 역할 예

• 탁자에서 물컵을 들어올리는 동작 – 주동근

• 손가락, 팔꿈치, 어깨의 굴곡근이 움직임을 생성 – 길항근

• 팔꿈치 신전근이 움직임 속도 조절 – 중립근

• Middle deltoid, supraspinatus와 같은 수평 외전근

– 안정근

– Scapular, flexor & extensor muscles of wrist

두 관절 및 다 관절 근육

• 두 개 이상의 관절을 통과하는 근육

– Biceps brachii, long head of the triceps brachii, hamstrings, rectus femoris, a

number of muscles crossing the wrist and all finger joints.

• 근육에 존재하는 장력의 양은 근육 길이 전체 및 뼈에 부착되어 있는 건 전체에서 일정

– 두 개 이상 관절을 통과하는 근육은 운동에

영향을 미침

두 관절 및 다 관절 근육

• 움직임에 영향을 미치는 요인:

– 관절에 대한 근육의 위치와 부착 기점 – 근건 단위의 단단함과 느슨함

– 관절을 통과하는 다른 근육들의 작용

• 높이 뛰기와 단거리 달리기 (순발력 운동)

– 엉덩 및 무릎 관절을 통과하는 두 관절 근육

• 신체분절의 회전운동을 병진운동으로

전환하는 데 효과

두 관절 및 다 관절 근육

• 2가지 단점:

– 능동성 기능부전(Active insufficiency)

• 두 관절 및 다 관절 근육이 너무 느슨하여 장력을 생성하는 데 제한

예) 손목이 완전히 굴곡되었을 때의 손가락 굴곡근들 – 수동적 기능부전(Passive insufficiency)

• 두 관절 및 다 관절 근육의 단단함 때문에 관절의 운동범위가 제한

예 1) 손가락 굴곡근이 최대로 신전된 상태에서 손목의 신전

예 2) 무릎이 굴곡 되었을 때 발목 배측굴곡 운동범위가 더 커짐

근력 생성에 영향을 미치는 요인

• 근육에 의해 생성된 힘의 크기

– 근육이 짧아지는 속도 (힘-속도 관계)

– 자극을 받았을 때 근육의 길이 (길이-장력 관계)

– 근육이 자극을 받고 경과된 시간 (Electromechanical Delay)

– 신전-단축 주기 (Stretch-Shortening Cycle)

힘-속도 관계

• 근육에 의해 생성되는 최대 힘은 근육이 짧아지거나 길어지는 속도에 의해 지배

• [그림 6-17] 설명 : 예) 바벨을 드는 운동

• 모든 근육 타입에 적용

• 적용되지 않는 경우:

– 빠른 속도에서 무거운 저항을 움직이는 것은 불가능

– 낮은 속도에서 가벼운 부하를 움직이는

것은 불가능

힘-속도 관계

• 최대 등척성 장력

– 신장성 상태(Eccentric conditions)

• 의도적 신장

–근육의 탄성 성분의 기여

• 신장성 근력 트레이닝

– 근육의 크기와 근력의 증가에서 단축성 트레이닝보다 더 효과적

– 그러나, 근육통과 구조적 손상 위험 증가

길이-장력 관계

• 단일 근섬유 : 근육이 안정 시 길이일 때 힘의 생성이 최대

• 인체에서, 근육이 약간 신전 되었을 때 힘의 생성이 증가

– 평행 근섬유 : 안정 시 길이보다 약간 길 때 최대

– 익상 근 섬유 : 안정 시 길이의 120%- 130%일 때 최대

• 근육의 탄성 성분의 기여 덕택 (주로 SEC)

전기역학적 지연

• 전기역학적 지연 (EMD)

– 신경 자극의 도달과 근육에 의한 장력 발생 사이의 시간

– 인간 근육에 따라 다양 (20-100 msec) – 훈련자 < 비훈련자, FT 섬유 < ST 섬유,

성인 < 어린이

• 근육 길이, 수축 형태, 수축 속도, 피로와는

관련이 없음

신전-단축 주기

• 신전-단축 주기(Stretch-Shortening Cycle, SSC) – 신장성 수축 (신전) 이후의 단축성 수축

– 탄성 반동(Elastic Recoil)

– 신전 반사 활성(Stretch Reflex Activation)

• 근육은 신전 후에 단축성 수축을 하면 더 많은 일을 수행

• SSC를 사용하면 대사 소비(metabolic costs) 감소

• 신장성 트레이닝은 근건 단위가 탄성 에너지를 더 많이 저장하고 생성할 수 있는 능력 증가 시킴

근력, 근 파워, 근 지구력

• 근육의 기능 평가

• 다양한 신체활동의 성공적인 수행에 중요한 역할

• 신경근 장애, 부상를 가진 노인 등에게서

일상생활을 수행하고 부상를 예방하는 데

중요

근력

• 정의

– 관절에서 토크를 발생시키는 근육군의 능력

• 근력 측정 방법

– 관절의 근육군에 의해 발생된 최대토크를 측정

• 2가지 직각 성분:

1) 회전 성분 2) 뼈에 평행

• 근력의 크기에 영향을 미치는 요인 – 근육이 발생시키는 장력의 양

– 관절 중심에 대한 근육의 모멘트 팔

근력

• 근육의 장력 생성 능력에 영향을 미치는 요인

– 횡단 면적 : 근육의 단면적당 힘 생성 능력은 약 90N/cm2

– 훈련 상태 : 신경자극전달 능력의 향상

• 예) 한쪽에 근력 훈련  훈련을 받지 않은 반대쪽에 근력 생성

• 근육의 모멘트 팔에 영향을 미치는 요인

– 뼈에 부착된 근육과 관절 중심의 회전축 사이의 거리

– 뼈에 부착된 근육의 각도

근 파워

• 근력과 근육이 짧아지는 속도와의 곱(product)

• 근 파워 측정방법

– 관절에서 발생되는 토크의 율(rate) 또는

– 순 토크(net torque)와 각속도의 곱 (product)

• 최대 파워:

– 최대 속도의 약 1/3 지점과

– 최대 단축성 힘(concentric force )의 약 1/3 지점

• 근 파워의 향상 : 1RM의 1/3 무게가 가장 효과적

근 파워

• 근력과 움직임 속도에 영향을 받음

• 근력이 가장 센 투포환 선수가 최고 투포환 선수가 되지 못하는 이유?

• 근 파워를 기반으로 하는 스포츠 – 역도, 던지기, 도약, 스프린팅

• 근 파워의 생성

– FT 섬유 > ST 섬유

• 평균 파워 생성 비율

– Type IIb, Type IIa , Type I 섬유 = 10:5:1

근 지구력

• 일정 기간 동안 장력을 발휘할 수 있는 능력 – 일정: 체조의 십자 버티기(iron cross)

– 변화: 조정, 달리기, 사이클링

• 근 지구력의 중요성이 적게 인식되는 이유

– 시간의 길이는 힘과 속도에 영향을 많이 받음

• 트레이닝 방법

– 가벼운 저항으로 많은 반복 – 근 섬유가 증가하지 않음

근 피로

• 근 피로의 관점에서 근 지구력 설명

– 근육이 빨리 피로해질수록 지구력이 감소

• 근 피로에 영향을 미치는 요인 – 생리학 및 신경학적 요인

– 근육 활동 및 운동기간과 관련된 활동 – 근육의 섬유 형태

– 운동단위 활성화 패턴

근 피로

• 근 피로의 원인 : 잘 알려져 있지 않음 – 세포 내 칼슘 방출 및 근형질세망

(sarcoplasmic reticulum) 을 통한 칼슘의 재흡수 비율 감소

• 액틴과 마이오신의 결합 방해 – 근육의 산성화 증가

– 세포 내 칼륨의 증가

– 근육에 에너지 공급 감소

– 세포 내 산소 감소

근 피로

• 근육이 피로해지면 – 힘의 생성 감소

– 근육 단축 속도 감소

– 운동단위 동원사이의 이완 시간 지연

• 절대 피로(Absolute Fatigue)

– 근육이 운동신경(motor neuron)을 통해 자극을 받았는데 활동전위(action potential)를 생성하지 못해 더 이상 장력을 발휘 못함

• 피로에 대한 저항 – SO > FOG > FG

근육 온도의 효과

• 체온 증가

– 신경 속도 및 근 기능 증가

• 힘-속도 곡선의 이동

– 주어진 부하에 더 적은 수의 운동단위가 동원 – 신진대사 과정 촉진

– 근력, 근 파워, 근 지구력 증가

• 근육 기능이 가장 효율 : 38.5 °C (101 °F)

• 달리기, 싸이클 운동

– 체온 상승으로 인한 열사병 또는 일사병 주의

• Key point: 준비 운동

일반적인 근육 부상

• 접질림(Strains)

– 근육이 과부하를 받아 과신전 됨으로 발생

• 1도(Mild) : 근육의 뻣뻣함

• 2도(moderate) : 통증, 근 기능 약화

• 3도(severe) : 과출혈, 팽창, 근 기능 약화

• 타박상(Contusions, muscle bruises )

– 충격 시 압축력(compressive forces)에 의해 발생 – 혈종 무감각(Myositis ossificans) : 심각한 타박상

• 근육 내에 석회화된 질량(calcified mass)

일반적인 근육 부상

• 경련(Cramps)

– 원인

• 전해질 불균형, 칼슘과 마그네슘의 부족, 탈수 등

• 운동 후 근육통 (Delayed-Onset Muscle Soreness, DOMS)

– 격렬한 운동 후 24-72시간 내에 발생

– 증상 : 통증, 부종, 염증, 뻣뻣, 운동범위 제한

• Compartment Syndrome

– 출혈(hemorrhage) 또는 부종(edema)

– 증상 : 종기(swelling), 변색(discoloration), 맥박의 감소, 지각 손실, 근 기능 감소 등

요약

• 근육은 장력을 발생시키는 유일한 생물학적 조직 – 탄성, 신장성, 자극에 반응

• 운동단위

– 근신경계의 기능적 단위

– 단일운동 신경원과 그것에 지배 받는 모든 근섬유로 구성

– ST, FTa, FTb

• 골격근의 섬유 배열

– 익상섬유 배열 : 힘의 생성 촉진 – 평행섬유 배열 : 큰 근수축 발휘

요약

• 근육의 수축 형태 : 근육의 수축 길이에 따라 – 단축 (concentric)

– 신장 (eccentric) – 정적 (isometric)

• 힘의 생성 관계

– 예: 힘-속도, 자극-근육 길이, 자극-힘 생성 시간

• 근육의 기능수행

– 근력 : 관절에서 토크를 생성하는 능력 – 근 파워 : 관절에서 토크 생성 속도

– 근 지구력 : 피로에 대한 저항 능력

토 론

• 속근성 근섬유의 비율이 높은 것이 유리한 운동 다섯 가지를 열거하라.

• 지근성 근섬유의 비율이 높은 것이 유리한 운동 다섯 가지를 열거하라.

• 작성한 내용에 대한 이론적 근거를 설명하라.

토 론

• 고양이 등의 동물은 점핑 능력이 뛰어나다.

관련 근육들의 생체 역학적 특징을 설명하라.

토 론

• 엉덩, 무릎, 발목에서의 운동 방향(굴곡, 신전 등)을 설명하고, 다음 각 활동에 대해 각 관절에서 운동을 일으키는 원인을 설명하라.

– 걸상에 앉기

– 계단을 한 계단씩 올라가기

– 공을 발로 차기

실험 실습

• 아 래 와 같 은 조 건 에 서 , 동 료 와 함 께 고니오미터를 사용하여 운동범위를 측정하고, 그 결과를 설명하라.

– 무릎 신전 시 배측굴곡 운동범위:

– 무릎 굴곡 시 배측굴곡 운동범위:

– 무릎 신전 시 저측굴곡 운동범위:

– 무릎 굴곡 시 저측굴곡 운동범위:

– 설명:

실험 실습

• 덤 벨 을 사 용 한 팔 꿈 치 운 동 에 서 팔 꿈 치 각도가 5°, 90°, 140°일 때, 여러분이 들 수 있는 최대 무게는 얼마인가? 결과를 설명하라.

– 5°일 때 최대 무게:

– 90°일 때 최대 무게:

– 140°일 때 최대 무게:

– 설명:

실험 실습

• 봉에서 그립 폭을 넓게, 중간 정도로, 좁게

하 여 벤 치 프 레 스 를 수 행 하 였 을 때

대 흉 근 ( pectoralis major) 및

상완삼두근(triceps brachii)에서 나타나는

근전도 변화를 설명하라.

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