인체의 정적 및 동적 특성: 무게 중심

인체의 수직적 위치, 공간 이동, 다양한 유형의 움직임(걷기, 달리기, 점프)은 인간 종의 형성과 함께 오랜 진화 과정을 거쳐 발전했습니다. 인류 발생 과정에서 인류 조상이 지상 생활로, 그리고 두 다리(하지)로 이동하게 되면서 근골격계를 포함한 전체 유기체의 해부학적 구조, 개별 부위, 기관이 크게 변화했습니다. 두 발 보행은 상지를 근골격계 기능에서 해방시켰습니다. 상지는 노동 기관인 손으로 변했고, 움직임의 민첩성이 더욱 향상될 수 있었습니다. 질적으로 새로운 기능의 결과로 나타난 이러한 변화는 어깨띠의 모든 구성 요소와 상지의 자유 부분의 구조에 반영되었습니다. 어깨띠는 자유 상지를 지지하는 역할을 할 뿐만 아니라 이동성을 크게 증가시킵니다. 견갑골은 주로 근육의 도움을 받아 신체 골격과 연결되어 있기 때문에 더 큰 움직임의 자유를 얻습니다. 견갑골은 쇄골의 모든 움직임에 참여합니다. 또한, 견갑골은 쇄골과 독립적으로 자유롭게 움직일 수 있습니다. 거의 모든 면이 근육으로 둘러싸인 다축성 구관절(ball-and-socket joint)은 해부학적 구조 덕분에 모든 면에서 큰 호를 따라 움직일 수 있습니다. 특히 손의 구조에서 기능의 특화가 두드러집니다. 길고 매우 유연한 손가락(주로 엄지손가락)의 발달 덕분에 손은 정교하고 차별화된 동작을 수행하는 복잡한 기관으로 자리 잡았습니다.

하지가 신체 전체의 무게를 지탱하면서 근골격계 기능에만 적응하게 되었습니다. 몸의 수직 자세와 직립 자세는 골반대(girdle)와 하지의 자유 부분의 구조와 기능에 반영되었습니다. 하지의 골반대(pelvic girdle)는 몸통, 머리, 상지의 무게를 대퇴골두로 전달하는 데 적합한 강력한 아치형 구조로 발달했습니다. 인류 발생 과정에서 형성된 골반의 45~65° 기울기는 신체의 수직 자세에 가장 유리한 생체역학적 조건에서 자유로운 하지로 체중을 전달하는 데 기여합니다. 발은 아치형 구조를 가지게 되면서 체중을 지탱하는 능력이 향상되었고, 움직일 때 유연한 지렛대 역할을 할 수 있게 되었습니다. 하지 근육은 강력하게 발달하여 정적 및 동적 부하를 감당할 수 있게 되었습니다. 하지 근육은 상지 근육보다 더 큰 질량을 가지고 있습니다.

하지의 근육은 넓은 지지면과 근력 발휘를 담당합니다. 하지 근육은 상지 근육보다 크고 강합니다. 하지의 신근은 굴곡근보다 더 발달되어 있습니다. 이는 신근이 몸을 똑바로 세우고 움직이도록(걷기, 달리기) 하는 데 중요한 역할을 하기 때문입니다.

팔에서는 어깨, 팔뚝, 손의 굴곡근이 앞쪽에 집중되어 있는데, 이는 손이 하는 일이 몸 앞에서 이루어지기 때문입니다. 잡는 동작은 손으로 수행되는데, 손은 신전근보다 굴곡근의 영향을 더 많이 받습니다. 또한 상지에는 하지보다 회전근(회내근, 회외근)이 더 많습니다. 이러한 근육들은 상지에서 하지보다 훨씬 더 잘 발달되어 있습니다. 팔의 회내근과 회외근의 질량은 상지의 나머지 근육 대비 1:4.8입니다. 하지에서는 회전근과 나머지 근육의 질량 비율이 1:29.3입니다.

하지의 근막과 건막은 정적 및 동적 하중 하에서 힘이 더 크게 발현되기 때문에 상지보다 훨씬 더 잘 발달되어 있습니다. 하지에는 신체를 수직 자세로 유지하고 공간 내에서 움직임을 보장하는 추가적인 메커니즘이 있습니다. 하지의 거들은 천골에 거의 고정되어 있어 몸통을 자연스럽게 지지합니다. 골반이 대퇴골두를 중심으로 뒤로 기울어지는 경향은 고관절의 고도로 발달된 장골대퇴인대와 강한 근육에 의해 방지됩니다. 또한, 무릎 관절의 횡축 앞을 지나는 수직 중력은 무릎 관절을 신전된 자세로 유지하는 데 기계적으로 도움을 줍니다.

발목 관절 수준에서, 서 있을 때 경골과 거골의 관절면 사이의 접촉 면적이 증가합니다. 이는 내측 및 외측 복사뼈가 거골 블록의 앞쪽, 더 넓은 부분을 감싸고 있기 때문에 더욱 촉진됩니다. 또한, 오른쪽과 왼쪽 발목 관절의 정면 축은 서로 뒤쪽으로 열린 각도를 이루며 위치합니다. 신체 중력의 수직 방향은 발목 관절에 대해 앞쪽으로 전달됩니다. 이는 내측 및 외측 복사뼈 사이에 있는 거골 블록의 앞쪽, 더 넓은 부분을 일종의 끼임 현상으로 이어집니다. 상지 관절(어깨, 팔꿈치, 손목)에는 이러한 제동 메커니즘이 없습니다.

몸통의 뼈와 근육, 특히 머리, 상지, 그리고 흉강과 복강의 장기를 지탱하는 척추인 축골격은 인류 발생 과정에서 심각한 변화를 겪었습니다. 직립 자세와 관련하여 척추에 곡선이 형성되었고, 강력한 등근육이 발달했습니다. 또한, 척추는 하지대(골반대와 함께)와 한 쌍의 강력한 천장관절로 거의 움직이지 않습니다. 이 관절은 생체역학적으로 몸통의 무게를 대퇴골두(하지)로 분산시키는 역할을 합니다.

해부학적 요소와 함께, 인체 발생 과정에서 발달한 하지와 몸통의 구조적 특징은 신체를 똑바로 세우고 안정적인 균형과 역동성을 확보하기 위해 필요하며, 신체의 중심 위치에도 특별한 주의를 기울여야 합니다.

사람의 중력 중심(GC)은 신체 각 부위의 모든 중력의 합력이 작용하는 지점입니다. MF 이바니츠키(MF Ivanitsky)에 따르면, GC는 제4 천추뼈 높이에 위치하며 치골 결합부 위 신체 전면에 투사됩니다. 신체의 세로축과 척추에 대한 GC의 위치는 나이, 성별, 골격, 근육 및 지방 축적에 따라 달라집니다. 또한, 낮과 밤의 불균형한 신체 활동으로 인해 척추가 짧아지거나 길어짐에 따라 GC의 위치가 매일 변동합니다. 노령층의 경우, GC의 위치는 자세에도 영향을 받습니다. 남성의 경우, GC는 제3요추-제5천추(V sacral vertebrae) 높이에, 여성의 경우 남성보다 4~5cm 낮게 위치하며, 제5요추에서 제1미추(I coccygeal vertebrae) 높이에 해당합니다. 이는 특히 골반과 고관절 부위에 남성보다 피하지방이 더 많이 축적되기 때문입니다. 신생아의 경우, 중심은 제5~제6흉추 높이에 위치하다가 점차(16~18세까지) 아래쪽으로, 그리고 약간 뒤쪽으로 이동합니다.

인체 중심의 위치는 체형에 따라 달라집니다. 장형 체형(무력증 체형)을 가진 사람들은 단형 체형(과무력증 체형)을 가진 사람들보다 중심이 상대적으로 낮게 위치합니다.

연구 결과, 인체의 무게 중심은 일반적으로 두 번째 천추뼈 높이에 위치하는 것으로 밝혀졌습니다. 무게 중심의 수직선은 고관절의 횡축에서 5cm 뒤, 대전자를 연결하는 선에서 약 2.6cm 뒤, 발목 관절의 횡축에서 3cm 앞을 지납니다. 머리의 무게 중심은 환추-후두 관절의 횡축보다 약간 앞에 위치합니다. 머리와 몸의 공통 무게 중심은 열 번째 흉추 앞쪽 가장자리의 중간 높이에 있습니다.

인체가 평면에서 안정적으로 평형을 유지하려면 중심에서 떨어뜨린 수직선이 양발이 차지하는 면적에 맞아야 합니다. 몸이 더 단단하게 서 있을수록 지지 면적이 넓어지고 중심이 낮아집니다. 인체의 수직 자세에서 균형을 유지하는 것이 가장 중요한 과제입니다. 그러나 적절한 근육을 긴장시키면 중심이 지지 면적을 벗어나더라도(몸을 앞으로 크게 기울이거나 옆으로 기울이는 등) 다양한 자세(일정한 한계 내에서)를 유지할 수 있습니다. 하지만 서 있거나 움직이는 것은 안정된 자세라고 할 수 없습니다. 다리가 비교적 긴 사람은 지지 면적이 상대적으로 작습니다. 인체의 전체 중심이 비교적 높은 곳(제2천추 높이)에 위치하고 지지 면적(두 발바닥 면적과 그 사이의 공간)이 작기 때문에 신체의 안정성은 매우 작습니다. 평형 상태에서 몸은 근육 수축력에 의해 지지되어 넘어지지 않습니다. 신체 부위(머리, 몸통, 팔다리)는 각각에 상응하는 위치를 차지합니다. 그러나 신체 부위의 비율이 어긋나면(예: 팔을 앞으로 뻗거나 서 있을 때 척추를 구부리는 경우 등) 다른 신체 부위의 위치와 균형도 그에 따라 변합니다. 근육 활동의 정적 및 동적 순간은 신체의 무게 중심 위치와 직접적인 관련이 있습니다. 전신의 무게 중심은 고관절 중심을 연결하는 횡선 뒤의 두 번째 천추 높이에 위치하기 때문에 몸통(골반과 함께)이 뒤로 기울어지는 경향은 고관절을 강화하는 고도로 발달된 근육과 인대에 의해 저항됩니다. 이는 다리 위에 똑바로 선 상체 전체의 균형을 보장합니다.

서 있을 때 몸이 앞으로 넘어지는 경향은 발목 관절의 횡축에서 무게중심의 수직선이 앞쪽(3~4cm)을 지나기 때문입니다. 이러한 넘어짐은 다리 뒤쪽 근육의 작용으로 저항됩니다. 무게중심의 수직선이 발가락까지 더 앞으로 이동하면, 다리 뒤쪽 근육을 수축시켜 발꿈치를 들어 올려 지지면에서 들어 올리고, 무게중심의 수직선이 앞으로 이동하며 발가락이 지지 역할을 합니다.

하지(肢)는 지지 기능 외에도 공간 내에서 몸을 움직이는 운동 기능을 수행합니다. 예를 들어, 걸을 때 인체는 한 쪽 다리에 번갈아 기대고 다른 쪽 다리에 기대면서 앞으로 나아갑니다. 이 경우, 두 다리는 진자처럼 번갈아 움직입니다. 걸을 때, 특정 순간에는 한쪽 다리가 지지대(뒤)가 되고, 다른 한쪽 다리는 자유자재(앞)가 됩니다. 매 걸음마다 자유자재로 움직이는 다리는 지지대가 되고, 지지하는 다리는 앞으로 나아가 자유자재로 움직입니다.

걷는 동안 하지 근육의 수축은 발바닥의 곡률을 크게 증가시키고, 가로 및 세로 아치의 곡률을 증가시킵니다. 동시에, 이 순간 몸통은 골반과 함께 대퇴골두를 중심으로 약간 앞으로 기울어집니다. 오른발로 첫 걸음을 내딛으면, 오른발 뒤꿈치, 발바닥 중앙, 발가락이 지지면 위로 올라가고, 오른쪽 다리는 고관절과 무릎 관절에서 굽혀 앞으로 나옵니다. 동시에, 한쪽 고관절과 몸통은 자유다리의 뒤를 따라 앞으로 나옵니다. 이 (오른쪽) 다리는 허벅지 대퇴사두근의 강력한 수축과 함께 무릎 관절에서 곧게 펴지고 지지면에 닿아 지지대가 됩니다. 이때, 다른 왼쪽 다리(지금까지 뒤쪽 지지다리였던)는 지지면에서 벗어나 앞으로 나와 앞쪽 자유다리가 됩니다. 이때 오른쪽 다리는 지지대 역할을 합니다. 하지와 함께 몸은 앞으로, 그리고 약간 위로 움직입니다. 따라서 두 다리는 엄격하게 정의된 순서에 따라 번갈아 가며 동일한 동작을 수행합니다. 먼저 한쪽으로 몸을 지탱하고, 그다음 다른 쪽으로 몸을 지탱한 후 앞으로 밀어냅니다. 그러나 걷는 동안에는 두 다리가 동시에 지면(지지면)에서 떨어지는 순간이 없습니다. 앞다리(자유로운)는 항상 뒷다리(지지하는)가 완전히 분리되기 전에 발꿈치로 지지면에 닿습니다. 이것이 걷기와 달리기, 점프의 차이점입니다. 동시에 걷는 동안에는 두 다리가 동시에 지면에 닿는 순간이 있는데, 지지하는 다리는 발바닥 전체를, 자유로운 다리는 발가락을 딛습니다. 걷는 속도가 빠를수록 두 다리가 지지면에 동시에 닿는 순간이 짧아집니다.

보행 중 중심 위치의 변화를 추적하면, 수평면, 정면, 시상면에서 몸 전체가 앞, 위, 옆으로 움직이는 것을 확인할 수 있습니다. 수평면에서 가장 큰 변위는 앞쪽에서 발생합니다. 위아래 변위는 3~4cm, 측면(측면) 변위는 1~2cm입니다. 이러한 변위의 특성과 정도는 상당한 변동을 보이며 연령, 성별, 그리고 개인의 특성에 따라 달라집니다. 이러한 요소들의 조합은 보행의 개별성을 결정하며, 이는 훈련의 영향으로 변할 수 있습니다. 일반적으로 평정한 걸음걸이의 평균 길이는 66cm이며, 0.6초가 소요됩니다.

걷는 속도가 빨라지면 걸음걸이가 달리기로 바뀝니다. 달리기는 걷기와 달리, 한 발과 다른 발로 지지면을 번갈아 가며 터치합니다.

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