근육뼈대의 지레 - 3가지 유형과 역학적 이득

근육뼈대 지레의 3가지 유형

인체 내에서, 내적인 힘들과 외적인 힘들은 뼈의 지레 시스템을 이용하여 토크를 생산합니다. 일반적으로, 지레는 중심축과 그 위에 매달려 있는 막대로 구성된 간단한 기계 장치입니다. 시소는 제1형 지레의 전형적인 예입니다. 지레의 기능 중 하나는 직선의 힘을 돌림의 토크로 전환시키는 것입니다. 지레의 중요한 기본적 개념은 서로 맞서고 있는 토크들이 모멘트 팔의 길이가 서로 다르고 힘들의 크기가 서로 달라도 균형을 잡을 수 있다는 것입니다. 인체 내에서 내적인 힘들과 외적인 힘들은 뼈의 지레 시스템을 통해 토크들을 생산합니다. 근육뼈대 지레에 연루되는 가장 중요한 힘들은 근육, 중력, 그리고 환경 내의 신체적 접촉에 의해 생산된 힘들입니다. 시소에서처럼, 근육뼈대에서의 내적인 토크들과 외적인 토크들은 등척활성과 같은 상황에서는 서로 같게 되지만, 맞서고 있는 토크들 중의 하나가 좀 더 우세하다면 관절에서의 움직임을 초래하게 됩니다. 지레는 제1형, 제2형, 제3형으로 분류됩니다.

 

 

 

 

제1형 지레

제1형 지레는 서로 맞서고 있는 힘들 사이에 돌림축이 있습니다. 인체의 제1형 지레의 예로는 시상면에서 머리의 자세를 조절해주는 머리와 목의 폄근육들을 들 수 있습니다. 시소의 예에서처럼, 근육 힘(muscle force, MF)에 내적인 모멘트 팔(internal moment arm, IMA)을 곱했을 때의 값과, 머리의 무게(head weight, HW)에 외적인 모멘트 팔(external moment arm, EMA)을 곱했을 때와 값이 같을 때 머리는 평형상태에 있게 됩니다. 제1형 지레에 있어 토크들의 방향은 서로 반대 방향이지만 내적인 힘과 외적인 힘은 일반적으로 같은 직선 방향으로 작용합니다.

제2형 지레

제2형 지레는 항상 두 가지의 특징을 갖고 있습니다. 첫 번째로, 돌림축은 뼈의 한쪽 끝에 위치됩니다. 두 번째로, 근육 힘 또는 내적인 힘은 외적인 힘보다 더 큰 지레작용을 갖고 있습니다. 제2형 지레는 근육뼈대계통에 있어 매우 드문 지레의 유형입니다. 전형적인 예는 발가락 끝으로 서는데 필요한 토크를 생산해내는 장딴지(calf) 근육들입니다. 이러한 작용을 위한 돌림축은 발허리발가락관절(metatarophalangeal joint)들을 통과한다고 가정됩니다. 이러한 가정에 근거해, 장딴지 근육들에서 사용된 내적인 모멘트 팔은 체중에서 사용된 외적인 모멘트 팔을 훨씬 더 초과합니다. 

 

 

 

제3형 지레

제2형 지레에서처럼, 제3형 지레소 뼈의 한쪽 끝에 돌림축을 가지고 있습니다. 팔꿉관절 굽힘근은 손에 있는 무게를 지탱하는데 요구되는 굽힘 토크를 생산하기 위해 제3형 지레를 이용합니다. 제2형 지레와는 다르게, 제3형 지레에 의해 지지되는 외적인 무게는 근육 힘보다 항상 더 큰 지레작용을 갖고 있습니다. 제3형 지레는 근육뼈대계통에서 사용되는 가장 흔한 유형의 지레입니다.

역학적 이득

근육뼈대 지레의 역학적 이득(mechanical advantage, MA)은 외적인 모멘트 팔에 대한 내적인 모멘트 팔의 비율로써 정의될 수 있습니다. 돌림축의 위치에 따라, 제1형 지레는 MA = 1, MA<1, 또는 MA>1을 가질 수 있습니다. 제2형 지레는 항상 MA>1을 갖습니다. 1보다 더 큰 MA를 갖는 지레시스템은 내적인(근육) 힘이 외적인 힘보다 적으면 토크 평형 공식의 균형을 유지할 수 있습니다. 제3형 지레는 항상 MA<1을 갖습니다. 토크 평형 공식을 유지하기 위해 근육은 반대되는 외적인 힘보다 더 큰 힘을 생산하여야 합니다. 대부분의 근육뼈대계통의 근육들은 1보다 적은 MA로 기능하고 있습니다.

 

 

 

 

 

예를 들어, 팔꿉관절에서의 두갈래근(biceps), 무릎관절에서의 네갈래근(quadriceps), 그리고 어깨관절에서의 가시위근(supraspinatus)과 어깨세모근(deltoid)을 고려해봅시다. 이 근육들의 뼈의 부착부위들은 비교적 관절의 돌림축에 가깝게 붙어 있습니다. 근육의 작용에 반대하는 외적인 힘은 손이나 발과 같이 비교적 관절의 먼쪽에서 작용합니다. 손에35.6N(8lb)의 외적인 무게를 쥐고 있는 동안 어깨관절의 90도 벌림을 유지하기 위해 가시위근과 어깨세모근에 요구되는 힘을 생각해봅시다. 이러한 예를 위해 근육들의 내적인 모멘트 팔은 2.5cm(약 1inch)이고 외적인 무게의 질량중심이 갖는 외적인 모멘트 팔은 50cm(약 20 inch)라고 가정해 봅시다(단순화하기 위해 사지의 무게는 무시한다). 이론적으로, MA는 1/20이 되기 때문에 근육은 711.1N(160 lb)의 힘 또는 외적인 무게 부하의 20배를 생산하여야 합니다.(수학적으로 말했을 때, 근육 힘과 외적인 부하 사이의 관계는 MA의 역비례에 근거한다.) 일반적인 원리에 따라 대부분의 뼈대근육들은 외적인 부하를 이겨내기 위해 외적인 부하보다 몇 배나 더 큰 힘을 생산합니다. 근육과 관절의 형태에 따라 근육 힘의 큰 비율이 관절에서 상당한 압박력이나 전단력을 생산해 냅니다. 이러한 근원성 힘(근육에 의해 생산된 힘, myogenic force)은 관절반작용력의 양과 방향을 대부분 결정합니다.