운동학

운동학(kinematics)은 움직임을 일으키는 힘을 직접 다루지 않고, 움직임 그 자체를 기술하는 생체역학의 분석 관점이다. 관절이 몇 도 움직였는지, 무게중심이 얼마나 빠르게 이동했는지, 걸음이 얼마나 컸는지처럼 "무엇이 어떻게 움직였나"를 다룬다. 반대로 그 움직임을 만든 힘·근력·토크를 다루는 것은 운동역학(kinetics)이다.

운동학은 다시 두 갈래로 나뉜다.

• 각운동학(angular kinematics): 팔·다리 같은 분절이 관절을 축으로 회전하는 것을 각도·각속도·각가속도로 기술한다. 예를 들어 무릎이 굽혀지는 속도, 보행주기 중 고관절 각도의 변화가 여기 해당한다.
• 선운동학(linear kinematics): 무게중심이 공간에서 그리는 이동 경로를 직선·곡선 거리로 기술한다.

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운동학적 분석에서 다루는 대표 변수는 위치(관절 각도·분절 위치), 변위(이동 거리), 속도(단위 시간당 변화량), 가속도다. 보행주기의 보폭·보행속도, 러닝 사이클의 케이던스·수직 진동 같은 값들이 대표적인 운동학 변수다.

운동학은 "무엇이 일어났는가"를 정량화하지만, 그 움직임을 만든 힘·토크 같은 기계적 원인을 직접 측정하지는 않는다. 예를 들어 무릎이 안쪽으로 모이는 움직임(동적 무릎 외반)을 각도로 측정하는 것은 운동학이지만, 그 원인이 엉덩이 근력인지 발의 정렬인지를 밝히는 것은 운동역학·근전도 등 다른 분석이 더해져야 한다.

관절 방향·지지면·보행주기·달리기 지표를 함께 읽는 길잡이는 움직임과 보행의 기초에 정리했다. 이 문서는 운동학의 분석 관점을, 연결 문서는 실제 용어 사이의 읽기 순서를 다룬다.

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각운동학(angular kinematics)은 팔다리·몸통이 관절을 중심으로 회전하는 각도·각속도(회전 속도)·각가속도(회전 속도의 변화)를 다룬다. 인체의 거의 모든 움직임은 뼈가 관절을 축으로 회전하는 형태이기 때문에, 걷는 동안 무릎이 얼마나 굽혀지는지, 팔을 뻗을 때 어깨가 얼마나 회전하는지를 나타낼 때 이 언어가 쓰인다.

각운동학이 "무엇이 어떻게 움직였나"를 설명한다면, 그 회전을 만든 힘의 원인은 운동역학(kinetics)이 다룬다. 근육이 만든 힘이 관절 회전으로 바뀌는 과정은 지렛대·모멘트팔·토크(회전력) 개념으로 설명되며, 같은 근력이라도 관절에서 힘이 작용하는 지점까지의 거리(모멘트팔)가 길어지면 더 큰 회전력을 만들 수 있다는 식의 비교적 확립된 물리 원리다. 다만 이 수치들은 어떤 개인의 움직임이 정상인지 비정상인지를 판정하는 기준이 아니다 — 관절 각도가 평균과 다르다고 해서 그 자체로 문제를 뜻하지는 않는다.

선운동학(linear kinematics)은 신체나 분절이 공간에서 직선 또는 곡선 경로를 따라 이동하는 것을 위치·속도·가속도로 기술하는 분석 틀이다. 걷는 동안 몸통의 무게중심이 앞으로 나아가는 궤적, 달리기 중 발이 지면에 닿기까지 이동한 거리와 속도가 여기에 해당한다.

회전을 다루는 각운동학과 짝을 이루며, 실제 움직임에서는 분절의 회전이 몸 전체의 이동으로 이어지는 경우가 많다. 근육 힘이 관절 회전으로 바뀌고, 그 회전들이 모여 손이나 발끝 같은 말단의 선형 이동을 만들어 낸다는 연결이 이 두 언어를 잇는 고리다. 걷기·달리기·던지기를 분석할 때 속도·가속도 값을 구간별로 나눠 보는 것이 실제 활용 방식이다.

회전(rotation)은 물체가 한 점 또는 축을 중심으로 방향을 바꾸는 움직임으로, 위치 변화만이 아니라 방향 변화를 포함한다. 그래서 같은 손이 공간에서 이동하더라도 팔 전체가 관절을 중심으로 돈 것인지 몸통이 함께 이동한 것인지에 따라 분석이 달라진다.

회전을 설명할 때는 어떤 축을 중심으로 하는지와 어느 평면에서 보느냐를 함께 정한다. 팔꿈치를 굽히고 펴는 움직임은 주로 좌우축을 중심으로 한 굽힘·폄으로, 몸통을 좌우로 돌리는 움직임은 세로축을 중심으로 한 회전으로 설명된다. 다만 해부학의 움직임 이름과 일상 언어의 '돌림'이 항상 일치하지는 않으며 , 어깨·고관절처럼 여러 방향으로 움직이는 관절에서는 굽힘·폄, 벌림·모음, 안쪽·바깥쪽 회전이 동시에 섞여 보일 수 있다.

관절 회전은 뼈와 관절면의 구조, 근육의 힘, 인대·관절낭의 장력, 외부 힘이 함께 만드는 결과이며, 같은 관절도 자세와 하중에 따라 움직이는 범위·속도·회전축이 달라질 수 있다. "관절 회전은 정확한 한 축에서만 일어난다"는 생각은 실제 관절이 단순 경첩보다 복잡하다는 점에서 성립하지 않고 , "회전 범위가 크면 무조건 유연하다"거나 "회전이 적으면 통증의 원인이다"라는 해석도 한 방향의 인과로 단정할 수 없다.

병진(translation)은 물체가 방향을 바꾸지 않고 공간에서 옮겨가는 움직임으로, 이상적인 병진에서는 모든 점이 같은 거리와 방향으로 이동해 물체 자체의 기울기가 변하지 않는다. 엘리베이터가 위아래로 움직이거나 책상이 바닥 위에서 옆으로 미끄러지는 모습이 단순한 예다. 선운동이 직선 또는 곡선 경로를 따라 위치가 바뀌는 움직임을 넓게 가리킨다면, 병진은 그중 모든 점이 같은 방향·거리로 이동하는 이상적 형태다.

인체의 팔·다리·관절은 단순한 막대나 경첩이 아니어서 순수 병진만 보이는 경우는 드물다. 관절의 움직임에서는 뼈가 눈에 보이게 회전하는 것 외에 관절면 사이의 미끄러짐·구르기 같은 작은 병진 성분이 함께 설명된다(관절 운동학).

측정에는 한계가 따른다. 카메라 한 대로 본 2차원 영상은 깊이 방향의 이동을 정확히 보여 주지 못하고, 표면의 표시점은 뼈의 실제 움직임과 차이가 날 수 있다. "관절에 병진이 보이면 불안정하다"는 해석은 성립하지 않으며 , 정상 관절 운동에도 병진 성분이 포함되므로 작은 이동 수치가 측정되었다는 사실만으로 관절의 상태나 통증의 원인을 확정할 수 없다.

• Wu G, Siegler S, Allard P, Kirtley C, Leardini A, Rosenbaum D, Whittle M, D'Lima DD, Cristofolini L, Witte H, Schmid O, Stokes I (2002). 인체 관절운동 보고를 위한 여러 관절의 관절좌표계 정의에 관한 국제생체역학회 권고안 1부: 발목·고관절·척추. Journal of Biomechanics. PMID 11934426.