생체역학: 사례기반 접근 > Physical Therapy

역자 서문
오랜 기간 체육학과 학생들을 대상으로 “스포츠생체역학”을 강의하면서, 학생들이 수학이나 물리학적 기초 개념에 대한 이해가 부족해 학습에 어려움을 겪는 모습을 보며 이들이 쉽게 접근하고 활용할 수 있는 교재를 찾고자 노력해왔다. 또한 체육 관련 다양한 시험문제를 출제하면서 국내 체육학과 학생들이 학부과정에서 사용하고 있는 다양한 스포츠생체역학 교재들에 대해 분석하며, 이들을 위해 가장 이상적인 교재가 어떤 것일까라는 고민을 하게 되었다.

현재 국내의 체육학과에서는 역학 관련 공식이나 수식을 전혀 사용하지 않고 생체역학적 개념을 설명한 교재를 가장 선호하고 있는 실정이다. 하지만 이러한 교재들은 스포츠에서 나타나는 물리학적인 현상만을 설명할 뿐, 스포츠 동작의 주체인 우리의 근골격시스템에 대한 생체역학적 측면은 다루지 않고 있다. 더 나아가 현재 스포츠 교육과 코칭 현장에서는 학생들과 선수들의 움직임을 통해 얻을 수 있는 다양한 역학적 수치들을 데이터화하여 이를 분석해 비효율적인 동작을 개선하고자 노력하고 있는 추세이다. 그러나 수식을 사용하지 않고서는 이러한 데이터를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 현장에서 이들을 쉽게 이해시키는 데 필수적인 그림과 그래프 등 데이터 가시화 작업이 불가능하다. 마지막으로 역학적 공식과 데이터에 대한 이해 없이는 다양한 스포츠동작을 대상으로 수많은 생체역학자들의 다양한 연구 논문들을 이해할 수 없다. 대학에서의 교육은 현상을 이해하는데 그치지 않고, 직접 현장에서 문제를 해결할 수 있는 능력을 갖춘 인재를 배출해야 한다는 고등교육의 방향 측면에서도 교사와 코치를 비롯한 스포츠지도자는 스포츠생체역학 교육을 통해 인체에 대한 전문적인 지식과 스포츠에서 발생하는 힘에 대한 분석을 통해 비효율적인 동작을 개선하는데 도움을 줄 수 있는 능력을 반드시 갖춰야 한다.

이 책은 체육학 학부 교육의 명문인 캘리포니아주립대 노스리지 캠퍼스에서 스포츠생체역학을 가르치고 있는 Sean P. Flanagan 교수가 2014년에 처음 발간한 “Biomechanics: A Case-Based Approach”을 완역한 교재이다. 이 책은 생체역학의 주요 개념을 이해하고, 기억하고, 적용하는 데 있어서 문제를 해결해가는 과정을 통해 배울 수 있는 전략을 사용하였다. 이를 위해 폭넓은 사례 연구와 스포츠현장에서의 다양한 예를 제시하여, 강의실에서 배운 내용을 나중에 현장에 진출하여 직접 활용할 수 있는 능력을 기를 수 있는 기회를 제공한다. 이 책은 스포츠 현장에 적용되는 다양한 역학적 원리들을 다룰 뿐만 아니라, 생체역학의 본질인 인체의 근골격시스템의 역학적 원리를 근육과 건-관절-팔다리-몸 전체 등으로 구분하여 체계적으로 설명하고 있다.

이 책은 스포츠생체역학의 다양한 주제를 다루고 있기 때문에 현재 국내의 대학이나 연구소에서 스포츠생체역학을 가르치고 연구하는 신진 연구자들이 각자의 전공분야에 맞는 주제를 맡아 지난 1년간 꼼꼼하게 내용을 분석하여 검토하였다. 특히 교재에 사용된 해부학적 용어는 원어, 구용어, 신용어를 모두 사용하여, 학생들의 혼동을 피했으며 원문의 취지를 충분히 반영하되, 우리나라 정서에 맞는 자연스러운 표현을 사용하고자 노력하였다.

끝으로 역자 일동은 이 책이 체육교사를 준비하고 교원임용고사 수험생, 다양한 스포츠지도사, 선수트레이너, 스포츠선수들과 코치 등 스포츠 분야뿐만 아니라, 물리치료와 작업치료, 스포츠의학을 공부하는 의학도 등에게도 도움이 되길 바란다. 이 책이 완성될 수 있도록 물심양면으로 끝까지 도와주신 도서출판 한미의학 이광재 대표와 편집부 여러분께도 감사드리며 무궁한 발전이 있기를 기원한다.

2016년 2월
역자 일동

저자 서문
이 책은 인간 생체역학의 첫 번째 과정으로 집필되었다. 비록 운동학(체육학) 학부 학생을 염두에 두고 쓰였지만 선수트레이닝, 물리치료, 카이로프랙틱, 의학 대학원 수준의 임상 교육과정 중인 학생에게도 적합하다고 생각된다. 이 책은 “방법” 보다는 “아이디어” 책이며, 학생들이 해부학과 대수학에 최소한의 기초적인 지식을 가지고 있다는 가정하에 쓰였다. 삼각 함수와 기하학이 책 전반에 걸쳐 사용되지만, “재교육 요소” 들이 적절한 위치에 등장한다. 미적분학은 사용하지 않았다.

개인적으로, 많은 학생들이 숫자가 실제로 무엇을 의미하는지에 대한 이해 없이 “숫자의 정확성”만을 강요받는 방식으로 생체역학을 접하고 있기 때문에 어려움을 겪는다고 생각한다. 이 책에서는 기존의 방식과는 다른 접근 방식을 선택했다. 첫 번째, 엄격하지 않고 이해하기 쉽도록 대화체를 사용했다. 왜냐하면 이러한 방식으로 제시된 정보가 학문적인 엄격함을 유지하면서도 더 이해하기 쉽다고 믿기 때문이다. 두 번째, 각 주요 섹션 전에 섹션의 학습질문을 제시해 내용이 어렵지 않으면서도 더 의미 있게 하기 위해 노력했다. 새로운 개념들을 체험하게 하고 연구실에서 실제 정보가 어떻게 획득될 수 있는지를 제시하는 연구를 강조해 학생들이 내용에 좀 더 가까이 다가가도록 했다. 세 번째, 수학적 계산을 통한 개념에 중점을 두고 물리적, 수학적, 그래픽 개념으로 표현했다. 본인이 희망하는 것은 학생들이 수를 계산하기 전에 데이터가 ‘가야 할’ 방법에 대한 직관적인 느낌을 갖는 것이다. 방정식의 광범위한 사용이 이러한 목표에 모순으로 보일 수 있지만, 방정식 뒤에 상징적인 논리를 소개하고 개념과 방정식 사이의 관련성을 그려나가길 원했다. 그래프 해석은 학생들로 하여금 이러한 관련성을 시각적으로 볼 수 있게 한다.

각 수업은 학습 목표들의 세트로 펼쳐진다. 주요 용어, 표, 그림, 박스 및 중요 포인트 박스 기능은 텍스트 전반에서 사용된다. 능력 점검(competency check)은 모든 주요 섹션 후에 있고, Bloom의 분류학의 첫 세 영역(기억, 이해, 적용)의 방식을 따른다. 알파벳 순의 용어정리는 복습 및 연구를 최적화시키기 위해 책의 끝 부분에 배치되었다. 이러한 방식으로 내용을 구성하는 것은 더 나은 이해와 학생들의 최적화된 기억을 이끌어내기 위함이다.

자료 자체에 관해서 나는 생체역학적 분석의 세 가지 구분을 포함해 17단원으로 책을 구성했다. 세 가지 구분은 몸 전체, 관절, 조직(뼈, 연골, 인대, 힘줄, 근육)이다. 나는 한 레벨에서 다음 레벨로 순차적으로 이동하지 않고 “전체-부분-전체” 구성을 사용했다. 몸 전체에 대해(질점, 질량점, 강체 모델 등) 역학적 원리들을 설명하였고, 생체피부와근-건 복합체의 독특한 특성 등을 구체적으로 논의했다. 나의 연구경력에 비추어, 본인은 일부분을 분리해 학습하는 것으로는 전체를 완전히 이해할 수 없다고 얘기하는 시스템 과학의 영향을 받았다. 이러한 이유로 근육-건 복합체는 관절시스템에 덧붙여졌고, 근골격시스템 내에서 하나의 관절이 검토된 후에 다관절의 메커니즘이 소개되었다. 17장에서 세 가지 구분의 통합은 움직임 분석 맥락에서 운동의 능력을 향상시키고 손상의 위험을 줄이기 위함이다. 나는 이 책이 교육 및 생체역학의 과학적 학습을 위한 대안적인 관점으로 제공되길 바란다. 의견 및 비판은 환영하며 감사한 일이다.

교육의 특성(PEDAGOGICAL FEATURES)
생체역학: 사례를 기반으로 한 접근 방식은 학생들의 이해와 기억을 돕기 위해 많은 자료를 제공하는 여러 가지 교육의 특성 중 하나이다. 각 강의는 학습 목표(learning objectives)부터 시작되는데 이는 이번 강의에서 가장 강조하는 주요 내용이다.
핵심 포인트! 아래 상자는 이 절 안에 내용과 관련된 필수적인 수학적 개념을 나타냈다.
아래 상자는 각 절에 대한 주요 부분을 다루기 위해 가장 핵심적인 질문(section question)을 제시한다.
아래 상자는 질문에 대한 답변으로 각 섹션의 질문을 상황에 맞는 답변으로 나타냈다.
능력 점검(competency checks)는 자료에 대한 이해를 돕기 위해서 Bloom의 분류학의 처음 세 영역을 사용하여 학생들에게 개념적이고 정량적인 질문을 한다.

공식(equations)은 생체역학의 이해를 위한 주요 수학적 자료를 제공한다. 공식은 간단하게 하기 위해 각각의 번호를 매겼다.
필수수학(Essential math)은 운동역학을 이해하기 위한 결정적인 수학적 자료들의 복습(review)이다.
응용연구(applied research)는 운동역학의 개념을 기술하고 역학에서의 실증적인 실제 수치를 제공한다.
주요 용어(Key terms)는 각 강의에서 여백에 강조되거나 정의되었고, 책의 마지막 부분에 용어사전으로 모아서 정리되었다.
종합적이고 교육적인 아트모음(art package)은 독특한 시각 효과를 가지고 학습 증진을 위해 책에 많은 사진과 그림을 포함시켰다.

각 강의의 마지막 부분에서의 요약은 주요 아이디어를 강화하고 학생들의 발상을 도우며 논의된 개념을 연결시키도록 했다. 주요 개념(Key concepts)들은 복습을 위해 표로 정리하여 나타냈다. 복습을 위한 질문들(Review Questions)은 강의에서 논의된 개념의 이해도를 테스트한다. 각과에서 사용된 참고문헌들도 정리되었다.

감사의 글
좀처럼 이러한 규모의 연구가 이루어지지 않았다. 많은 사람들이 나의 생체역학적 관점을 형성하는데 도움을 주었고 적어도 그들은 이 완성된 작품에 대한 감사의 말을 받을 자격이 있다. 말로써 충분히 내 마음을 표현할 수는 없지만, 그들이 나의 깊은 감사의 마음을 받아 주길 바란다. 매우 중요한 사람을 생략할 위험을 무릅쓰고, 특별히 몇 가지를 언급하고 싶다.
첫 번째, 나의 가족에게 감사드린다. Jennifer, 지속적으로 나에게 편안한 공간에 안주하지 않도록 밀어내어 많은 밤을 연구와 집필에 매달리게 하였다. 장모님, Sally Montelongo, 지난 몇 년 동안 모든 지원을 아끼지 않았다. 그리고 나의 부모님, Joe and Marty Flanagan은 내게 과제 수행에 대한 확신을 주었고, 내가 학자가 되기 위한 적절한 기초를 만들어 주셨다. 피라미드는 기초 부분이 넓게 만들어졌을 때 더 높게 지어질 수 있는 법이다.

다음으로, 오랫동안 저를 가르쳐주시고 도와주신 사람들께 감사드린다. 모든 면에서 Dr. George Salem (University of Southern California), 친구이자 공동연구자이며 멘토인 Dr. Kornelia Kulig (University of Southern California), 과학자가 되는 법과 먼저 계산하는 방법을 배우기 전에 숫자가 무엇을 의미하는지 이해해야 한다는 점을 일깨워준 Dr. Paul Vanderburgh (University of Dayton), 임상생체역학에 대한 지식을 제공해준 Dr. Christopher Powers (University of Southern California), 나를 이론적으로 정립하게 한 Dr. James Gordon (University of Southern California), 이제까지 가장 즐겁고 가치 있는 생체역학 수업을 만들어준 Dr. Jill McNitt-Gray (University of Southern California), 내가 박사과정을 하는데 필요한 격려와 지원을 아끼지 않은 Dr. Lloyed Laubach (University of Dayton), 진정한 영감을 준 Dr. Karl Stoedefalke and Dr. Bob Christina (Pennsylvania State University), 나에게 “edutaining”한 것을 보여 준 Dr. George DeMarco (University of Dayton), 과학이 정상적인 운동과 병리학적 운동을 더 잘 이해하기 위해 어떻게 사용될 수 있는지를 가르쳐 준 Dr. Carolee Winstein, Dr. Cesar Blanco, and Dr. Lucinda Baker (University of Southern California), 역학의 더 깊은 이해를 도와준 Dr. Erik Johnson and Dr. Hung Leng Wong (University of Southern California), 나를 학생에서 교수로 무리없이 이끌어준 Dr. Bill Whiting and Dr. Shance Stecyk (California State University, Northridge), 전체 라그랑주를 설명해 준 Dr. Paul Lee(California State University, northridge), 나에게 깊이 있는 사고가 넘치는 토론을 제시해준 Jacqueline Perry 근골격 역학 연구소의 모든 동료 박사 과정 학생에게 감사드린다.
또한 Jones & Bartlett learning의 많은 전문가들의 지원과 격려 그리고 인내에 감사드린다. Shoshanna Goldberg, Megan Turner, Joanna Lundeen, Agnes Burt, Prima Bartlett, Kyle Hoover, 그리고 내가 직접 함께하진 못했지만 이 책을 만들어 주신 분들께 감사드린다. 덧붙여 이 책의 완성도를 높여준 검토자분들께도 감사드린다.

마지막으로, 직접 또는 간접적으로 이 책의 집필에 도움을 준 모든 (과거와 현재) 학생들에게 감사의 말씀을 드린다. 특별히 Shawn Sorensen, Stephen Cho, Shin-Di Lai, James Kohler, Josh Phillips, Lloyd Magpantay, Matt Hank, Matt McCan, Janelle Kulik, and Lulu Silveyra에게 감사드린다. 이 책은 오랜 시간 동안 어울리면서 즐거움을 주었던 교수들, 동료들, 학생들의 교수법, 아이디어, 개념들의 집대성이다. 하지만 이 책에 오류가 있다면 그것은 전적으로 필자에게 책임이 있다.

PART  I 전신 수준  9
02 선운동학의 이해: 1차원  11
 2.1 한 방향에서의 선운동학  11
 2.2 두 방향에서의 선운동학  23
 2.3 보행  31
03 선운동학의 이해: 2차원  35
 3.1 기준틀  35
 3.2 합성과 벡터성분  36
 3.3 합성(순)값  40
 3.4 포물체 운동  43
04 각운동학의 이해  51
 4.1 각운동학  51
 4.2 선운동학에 대한 각운동학의 관계  61
05 관성과 운동량의 이해  67
 5.1 정지상태의 신체의 관성: 질량(m)  67
 5.2 선운동에서의 관성: 선운동량(L)  70
 5.3 각운동의 관성  73
 5.4 관성 비교  79
06 운동동작에서 선운동역학의 이해  81
 6.1 뉴턴의 1법칙  81
 6.2 뉴턴의 2법칙  82
 6.3 접촉력과 뉴턴의 3법칙  87
 6.4 뉴턴의 2법칙 다시보기  91
 6.5 운동에서 이용되는 선형 저항의 종류  99
07 운동동작에서 각운동역학의 이해  103
 7.1 각운동에서 뉴턴의 1법칙의 적용  103
 7.2 각운동에서 뉴턴의 2법칙의 적용  107
 7.3 각운동에서 뉴턴의 3법칙의 적용  113
 7.4 각 충격량과 뉴턴의 2법칙의 또 다른 적용  116
 7.5 각운동역학의 응용  118
08 일-에너지  125
 8.1 에너지  125
 8.2 일  127
 8.3 운동 일, 질량중심, 열역학 제1법칙  134
 8.4 효율과 경제성  137
 8.5 파워  141
09 충돌, 충격과 보존법칙  145
 서론  145
 9.1 질량점의 단순 충돌  145
 9.2 질량점들의 복잡한 충돌  152

PART  II 조직 수준  159
10 인체 구조공학  161
 서론  161
 10.1 기초 재료공학  162
 10.2 점탄성 재료의 특성  170
 10.3 일반적 손상기전  172
 10.4 인체 구조의 생체역학  176
11 근육-건 역학  185
 11.1 근육-건 복합체의 기능  186
 11.2 근육-건 복합체를 구성하는 요소  190
 11.3 근육-건 복합체 역학에 영향을 미치는 요소  197

 11.4 손상의 생체역학  210
PART  III 관절 수준  215
12 단일관절 개념  217
 12.1 의학적 표준 좌표  217
 12.2 운동학  220
 12.3 동역학  226
 12.4 관절의 안정성  240
13 하지의 생체역학  247
 서론  247
 13.1 발과 발목 복합체  247
 13.2 무릎 복합체  258
 13.3 엉덩관절  265
14 몸통뼈대의 생체역학  271
 서론  271
 14.1 기본 기능과 구조  271
 14.2 척추 부위별 기계학  276
 14.3  척추 손상  284
15 상지의 생체역학  291
 서론  291
 15.1 어깨 복합체  291
 15.2 발꿈치와 아래팔  300
 15.3 손목과 손  304

PART  IV 분절집단(사지) 수준  313
16 다관절의 개념  315
 서론  315
 16.1 운동형상학  317
 16.2 운동역학  330

PART  V 각 수준들의 통합  339
17 종합  341
 서론  341
 17.1 인체 움직임의 분석과 향상  341
 17.2 기초 움직임의 분석  347
용어 정리  371