운동역학

PART 01
Chaptert 01 운동역학의 정의와 영역 1
1. 운동역학의 정의 ..............................................................................................4
2. 운동역학의 영역 ..............................................................................................4
1 정역학 ............................................................................................................4
2 동역학 ...........................................................................................................5
(1) 운동학 6
(2) 운동역학 6
3. 운동역학 분석 방법 .........................................................................................9
1 운동학적 분석 방법 .......................................................................................9
2 운동역학적 분석 방법 ..................................................................................9
4. 운동역학을 배우는 이유 ...............................................................................10
5. 운동역학 문제 해결 방법 .............................................................................16
1 질적 분석 .....................................................................................................16
2 양적 분석 ....................................................................................................16
3 질적 문제 해결 방법 ..................................................................................17
4 질적 분석 방법 ...........................................................................................18
(1) 질적 분석을 위한 필수 지식 18
(2) 질적 분석 계획 19
(3) 질적 분석의 예 20
5 공식적 문제 해결 방법 ...............................................................................24
6. 운동역학 연구 방법 .......................................................................................25
1 동작 분석법(영상 분석법) ..........................................................................25
2 힘의 분석법(지면반력 분석법) ..................................................................27
3 근전도 분석법(근육 활동 분석) ................................................................28
4 종합 분석(영상 + 지면반력 + 근전도 분석) ............................................30
7. 운동역학 역사 ................................................................................................31
1 역학자 ..........................................................................................................31
2 학회 창립 ....................................................................................................32
요약 ........................................................................................................................40

Chaptert 02 운동역학의 내용과 활용 49
1. 운동역학의 내용과 목적 ...............................................................................51
1 스포츠 경기력 향상 .....................................................................................51
2 역학적 이해를 통한 스포츠 동작의 효율성 극대화 .................................52
3 스포츠 상황에서 역학적으로 발생하는 손상 원인 분석 ..........................52
2. 운동역학의 활용 ............................................................................................52
3. 운동역학과 다른 학문과의 관계 .................................................................53
1 운동기능학 ..................................................................................................55
2 스포츠의학 ..................................................................................................55
3 특수체육 .....................................................................................................55
4 운동생리학 .................................................................................................56
5 운동제어 .....................................................................................................56
6 운동 발달 ....................................................................................................57
7 운동학습 ....................................................................................................57
8 인간공학 ...................................................................................................58
9 물리치료학 ................................................................................................58
10 작업 치료학 ..............................................................................................58
11 스포츠 교육학 ...........................................................................................59
4. 움직임(운동)을 설명하는 방법 ....................................................................59
1 좌표계 ..........................................................................................................61
2 해부학적 자세 .............................................................................................62
3 해부학적 운동면과 움직임 ........................................................................64
4 해부학적 운동축과 움직임 ........................................................................74
5 분절 .............................................................................................................76
6 방향 용어 ....................................................................................................77
요약 ........................................................................................................................85

Chaptert 03 인체의 구조와 운동 기능 - 뼈 역학 - 93
1. 인체의 뼈 ........................................................................................................95
2. 뼈의 구성 성분 ...............................................................................................96
1 탄산칼슘과 인산칼슘 ..................................................................................96
2 콜라젠 .........................................................................................................97
3 물 .................................................................................................................97
3. 인체 뼈에 작용하는 역학적 부하 ................................................................97
1 스트레스 ......................................................................................................97
2 스트레인 .....................................................................................................97
3 압축력 .........................................................................................................98
4 장력 .............................................................................................................98
5 전단응력 .....................................................................................................99
4. 뼈의 구조 ........................................................................................................99
1 피질골 ..........................................................................................................99
2 소주골 .........................................................................................................99
3 뼈의 구조적 특성 .................................................................................... 100
5. 뼈의 성장과 발달 ........................................................................................ 100
6. 뼈의 형태에 따른 기능 .............................................................................. 101
1 짧은 뼈(단골, short bone) .................................................................... 101
2 긴뼈(장골, long bone) .......................................................................... 101
3 납작뼈(편평골, flat bone) ..................................................................... 101
4 불규칙뼈(irregular bone) ..................................................................... 102
7. 여성 뼈와 노화 뼈의 특징 ......................................................................... 102
8. 뼈 비대와 뼈 위축 ....................................................................................... 102
1 뼈 비대 ...................................................................................................... 102
2 뼈 위축 ..................................................................................................... 103
9. 골다공증 ...................................................................................................... 103
1 두 가지 유형 ............................................................................................. 103
2 증상 .......................................................................................................... 104
3 치료 .......................................................................................................... 104
4 골다공증 예방을 위한 권고사항 ............................................................ 104
10. 뼈 손상 ........................................................................................................ 105
1 골절 ........................................................................................................... 105
2 피로골절 .................................................................................................. 106
3 뼈끝 손상 ................................................................................................. 106
(1) 뼈 연골증(osteochondrosis) 106
(2) 뼈 끝염(apophysitis) 107
11. 우주비행사와 뼈 ........................................................................................ 107
요약 ..................................................................................................................... 121

Chaptert 04 인체의 구조와 운동 기능 - 관절 역학 - 129
1. 윤활관절의 종류 ......................................................................................... 133
1 구상(절구공이) 관절 ................................................................................ 133
2 평면(활주) 관절 ....................................................................................... 133
3 타원관절 .................................................................................................. 133
4 차축(중쇠)관절 ........................................................................................ 133
5 안장 관절 ................................................................................................ 134
6 경첩(돌쩌기) 관절 ................................................................................... 134
2. 관절 주변 조직 ............................................................................................ 135
1 관절연골 ................................................................................................... 135
2 관절주머니 ............................................................................................... 137
3 인대 .......................................................................................................... 138
3. 관절 안정성 ................................................................................................. 139
4. 관절 유연성 ................................................................................................. 142
1 관절 유연성에 영향을 미치는 요인 ........................................................ 143
2 관절 유연성 향상 방법 ............................................................................ 143
(1) 능동 스트레칭 144
(2) 수동 스트레칭 145
(3) 반동 스트레칭 145
(4) 정적 스트레칭 145
(5) 동적 스트레칭 146
(6) 근막 이완 스트레칭 146
(7) 고유 수용성 근 신경 촉진법 146
5. 인체 부위별 움직임 해부학 ...................................................................... 149
1 머리 ......................................................................................................... 149
2 몸통 ......................................................................................................... 150
3 골반 ......................................................................................................... 152
4 어깨 ........................................................................................................ 153
5 팔꿈치 ..................................................................................................... 153
6 손목 ......................................................................................................... 154
7 손 ............................................................................................................. 155
8 엉덩이 ..................................................................................................... 155
9 무릎 ......................................................................................................... 156
10 발목 ......................................................................................................... 157
11 발 ............................................................................................................. 157
요약 ..................................................................................................................... 166

Chaptert 05 인체의 구조와 운동 기능 - 근육역학 - 173
1 근육과 힘줄 단위의 활동 특성 ................................................................ 178
(1) 신장성 및 탄성 179
(2) 감응성 및 장력 발휘 능력 180
2 근섬유 종류 ............................................................................................. 181
3 운동단위 .................................................................................................. 183
4 근섬유 구조 ............................................................................................. 184
(1) 평행 섬유배열 184
(2) 익상 섬유배열 184
5 운동 시 동원되는 근육의 역할 ............................................................... 186
(1) 주동근 186
(2) 길항근 186
(3) 안정근 187
(4) 중립근 187
(5) 협력근 188
6 근수축 형태 ............................................................................................. 188
(1) 등장성 수축 188
(2) 등척성 수축 189
(3) 등속성 수축 189
7 두 관절 및 다관절 근육 ........................................................................... 189
8 근력 생성에 영향을 미치는 요인 ........................................................... 191
(1) 근육의 길이-장력 관계 191
(2) 근육의 힘-속도 관계 193
(3) 근육의 수축 속도와 힘-파워의 관계 196
(4) 전기역학적 지연 197
(5) 신전-단축 주기 198
9 골격근의 부착 위치와 움직임 ................................................................ 199
요약 ..................................................................................................................... 209

Chaptert 06 운동의 개념과 요소 217
1. 운동의 개념 ................................................................................................. 219
1 운동의 정의 .............................................................................................. 219
2 운동의 원인 ............................................................................................. 219
3 운동의 형태 ............................................................................................. 220
(1) 선운동(병진운동) 220
(2) 각운동(회전운동) 222
(3) 복합 운동 223
2. 운동의 요소 ................................................................................................. 223
1 무게 ........................................................................................................... 223
2 질량 .......................................................................................................... 224
3 관성 .......................................................................................................... 225
4 압력 .......................................................................................................... 227
5 부피 .......................................................................................................... 227
6 밀도 .......................................................................................................... 228
7 비중 .......................................................................................................... 228
8 벡터와 스칼라 ......................................................................................... 229
(1) 벡터 229
(2) 스칼라 229
9 무게중심과 질량중심 .............................................................................. 230
(1) 정의 230
(2) 인체의 무게중심 230
10 탄성과 충돌 ........................................................................................... 232
(1) 탄성 232
(2) 탄성계수 234
(3) 탄성력 234
(4) 충돌 236
11 톱 스핀과 백 스핀 ................................................................................... 238
3. 인체 지레 ..................................................................................................... 239
1 지레의 원리 .............................................................................................. 239
2 지레의 종류 ............................................................................................. 242
3 인체 지레 ................................................................................................. 243
요약 ..................................................................................................................... 254

PART 02
Chaptert 07 선운동의 운동학적 이해와 적용 261
1. 이동 거리와 변위 ........................................................................................ 265
2. 속력과 속도 ................................................................................................. 266
1 평균 속도와 순간 속도 ........................................................................... 267
2 상대속도 ................................................................................................. 268
3 속도와 달리기 운동 ................................................................................. 270
4 속력과 속도의 중요성 ............................................................................. 271
5 등속도 운동 ............................................................................................. 272
3. 가속도 .......................................................................................................... 273
1 평균 가속도와 순간가속도 ...................................................................... 273
2 가속도와 감속도 ...................................................................................... 274
3 등가속도 운동 ......................................................................................... 276
요약 ..................................................................................................................... 289

Chaptert 08 투사체 운동의 이해와 적용 297
1. 투사체 운동의 이해 .................................................................................... 299
1 자유 낙하운동과 수직 상방 운동 ............................................................ 300
2 포물선 운동 ............................................................................................. 301
3 중력의 영향 ............................................................................................. 303
4 공기저항의 영향 ..................................................................................... 303
2. 투사체 운동의 적용 .................................................................................... 304
1 투사체 궤도에 영향을 미치는 세 가지 요인 .......................................... 304
2 투사 속도 ................................................................................................. 305
3 투사 각도 ................................................................................................. 305
4 투사 높이 ................................................................................................. 307
3. 스포츠 상황에서 적정 투사 조건 ............................................................. 308
4. 인체 평형과 안정성 .................................................................................... 309
1 인체 평형 .................................................................................................. 309
(1) 안정성과 운동성 309
(2) 인체 평형과 안정성 310
2 기저면 ...................................................................................................... 313
(1) 기저면 313
(2) 기저면과 안정성의 관계 314
3 무게중심의 높이 ...................................................................................... 315
4 무게중심선의 위치 .................................................................................. 317
요약 ..................................................................................................................... 330

Chaptert 09 각운동의 운동학적 이해와 적용 337
1. 각운동의 운동학적 이해 ............................................................................ 340
1 각도 측정 .................................................................................................. 340
2 상대각과 절대각 .................................................................................... 342
3 각 회전 방향 ............................................................................................ 343
2. 각운동의 운동학적 적용 ............................................................................ 344
1 각거리와 각변위 ..................................................................................... 344
(1) 각거리 344
(2) 각변위 345
2 각속력과 각속도 ...................................................................................... 346
(1) 각속력 346
(2) 각속도 346
(3) 스포츠 상황에서 각속도의 활용 347
3 각가속도 .................................................................................................. 348
4 선운동과 각운동의 관계 ......................................................................... 349
(1) 선 변위와 각변위 349
(2) 선속도와 각속도 351
(3) 선 가속도와 각가속도 351
요약 ..................................................................................................................... 357

Chaptert 10 일과 파워 및 에너지의 이해와 적용 363
1. 일 ................................................................................................................... 367
1 일의 정의 .................................................................................................. 367
2 일의 단위 ................................................................................................. 369
3 양의 일과 음의 일 ................................................................................... 369
4 같은 일량 ................................................................................................. 371
5 에르고미터에서의 일량 ......................................................................... 372
2. 파워 ............................................................................................................... 375
1 파워의 정의 ............................................................................................. 375
2 파워의 단위 ............................................................................................ 375
3 순발력 ...................................................................................................... 377
4 경기에서 파워 발휘 전략 ........................................................................ 379
3. 에너지 .......................................................................................................... 381
1 에너지의 정의 .......................................................................................... 381
2 에너지의 단위 .......................................................................................... 381
3 역학적에너지 ........................................................................................... 381
(1) 운동에너지 381
(2) 위치에너지 384
4 에너지 전환 ............................................................................................. 389
5 역학적에너지 보존의 법칙 ..................................................................... 392
6 인체 에너지 효율 .................................................................................... 396
4. 일과 에너지의 관계 .................................................................................... 397
1 일과 에너지의 원리 .................................................................................. 402
2 역학적에너지와 화학적에너지와의 관계 ............................................... 403
요약 ..................................................................................................................... 412

PART 03
Chaptert 11 선운동의 운동역학적 이해와 적용 419
1. 힘 ................................................................................................................... 422
1 힘의 정의 .................................................................................................. 423
2 힘의 단위 ................................................................................................. 424
3 힘의 벡터적 특성 .................................................................................... 425
4 힘의 분류 ................................................................................................. 427
(1) 운동 효과 측면 427
(2) 힘이 발현되는 근원 427
(3) 접촉 여부 427
5 힘의 종류 ................................................................................................. 427
(1) 근력 428
(2) 중력 429
(3) 마찰력 431
(4) 수직항력 442
(5) 구심력과 원심력 445
2. 뉴턴의 운동법칙 ......................................................................................... 447
1 관성의 법칙(the law of inertia) ........................................................... 448
2 가속도의 법칙(the law of acceleration) ............................................ 452
3 작용-반작용의 법칙(the law of reaction) ......................................... 454
3. 선운동량과 충격량 ..................................................................................... 455
4. 선운동량 보존의 법칙 ................................................................................ 461
요약 ..................................................................................................................... 468

Chaptert 12 각운동의 운동역학적 이해와 적용 475
1. 토크 ............................................................................................................... 478
1 토크의 정의 .............................................................................................. 479
2 토크의 단위 ............................................................................................. 481
3 토크의 특성 ............................................................................................. 482
2. 관성모멘트 .................................................................................................. 483
1 관성모멘트의 정의 ................................................................................... 483
2 관성모멘트의 단위 .................................................................................. 483
3 관성모멘트의 특성 .................................................................................. 483
3. 뉴턴의 각운동법칙 ..................................................................................... 485
1 각관성의 법칙 .......................................................................................... 485
2 각가속도의 법칙 ...................................................................................... 485
3 각반작용의 법칙 ...................................................................................... 486
4. 각운동량과 회전 충격량 ............................................................................ 487
5. 각운동량 보존의 법칙 ................................................................................ 490
6. 각운동량의 전이 ......................................................................................... 492
7. 분절의 협응력 ............................................................................................. 495
요약 ..................................................................................................................... 506

Chaptert 13 유체 속에서의 운동의 이해와 적용 513
1. 유체의 특성 ................................................................................................. 515
1 밀도에 대한 압력의 영향 ......................................................................... 517
2 밀도에 대한 온도의 영향 ........................................................................ 518
3 밀도에 대한 고도의 영향 ........................................................................ 519
4 밀도에 대한 습도의 영향 ........................................................................ 521
2. 유체마찰 ...................................................................................................... 522
1 유체의 밀도 .............................................................................................. 523
2 유체와 접촉하는 물체의 횡단 면적과 재질 ........................................... 523
3 유체에 대한 물체의 상대 운동 속도 ...................................................... 526
3. 항력 ............................................................................................................... 527
1 표면항력 ................................................................................................... 527
2 형태 항력 ................................................................................................. 530
3 파동 항력 ................................................................................................. 531
4. 물속에서의 운동 ......................................................................................... 531
1 부력 ........................................................................................................... 532
(1) 부력 중심 532
(2) 부력 중심과 무게중심과의 관계 532
2 수영 역학 ................................................................................................. 533
3 수영 속도 및 스트로크 ............................................................................ 534
4 스쿠버 다이빙 ......................................................................................... 537
5. 공기에서의 운동 ......................................................................................... 538
1 양력 ........................................................................................................... 538
2 회전의 원리, 마그누스 효과 ................................................................... 540
3 무회전의 원리, 카르만 소용돌이 ........................................................... 541
4 스키점프 .................................................................................................. 542
요약 ..................................................................................................................... 556

부 록 .................................................................................................................... 563
참고문헌 ............................................................................................................. 605

에세이
◆ 운동역학을 잘하는 법 ...........................................................................................35
◆ 체육학도가 의사를 이기는 방법 ..............................................................................83
◆ 운동역학을 공부하는 방법에 대한 현실적 조언 ....................................................115
◆ 미국 유학길에 오르다. ...................................................................................163
◆ 근육을 지배하는 자가 체육을 지배한다. ................................................................207
◆ 진정한 운동의 고수 .....................................................................................252
◆ 준비운동과 정리운동은 중요해 ......................................................................287
◆ 홈 트레이닝: 스쿼트와 팔굽혀펴기를 제대로 알고 운동 효과 높이기 .......................325
◆ 대한민국 마라톤. 아자아자, 화이팅! ..........................................................355
◆ 건강한 걷기 운동 ..........................................................................................408
◆ 운동 잘하려면 어떻게 해야 할까? .....................................................................467
◆ 체육을 전공하면 어떤 직업을 가질 수 있나? ....................................................503
◆ 꿈을 이야기했을 때 비웃지 않는다면, 그 꿈은 작은 것이다. .....................................554

읽을거리
◆ 운동 코치, 체육 교사가 운동 기술을 잘 가르치려면? .............................................10
◆ AI 기반 자세 추정(Pose Estimation) 3대 기술(MediaPipe vs OpenPose vs MoveNet) ............36
◆ 운동면의 활용: 골프 스윙면 .........................................................70
◆ 스포츠 손상을 당하면, 밥만 잘 먹으면 낫는다고? ................................................110
◆ 왜 여성들은 남성들보다 무릎 안에 있는 전방십자인대 부상이 많은가? .........................112
◆ AI(인공지능)가 운동역학에 미치는 영향 ..........................................................116
◆ 진흙에 빠진 차를 빼내는 법 ..............................................................................432
◆ 좋은 골프 스윙이란? ....................................................498
◆ 첨단 수영복 이야기 .......................................................................................528
◆ 골프공은 왜 곰보인가? ...............................................................................................552

운동 코치와 선수에게
◆ 세계 정상급 선수의 운동 기술을 연구하라. .....................................................22
◆ 투사체 운동의 이해와 적용 ..............................................................................309
◆ 운동과 안정성의 이해와 적용 ......................................................................318
◆ 마찰의 이해와 적용 ..........................................................................................442
◆ 회전 기술의 이해와 적용 ................................................................................497
◆ 유체역학의 이해와 적용 ..................................................................................544

오해와 진실
◆ 세계 정상급 선수의 운동 기술을 그대로 따라 하면 된다. ...............................................23
◆ 뛰어난 운동선수는 뛰어난 코치나 감독이 된다. ........................................................78
◆ 뼈가 크고 근육질인 남자가 여자보다 물에 더 잘 뜬다. .............................................110
◆ 스키점프 선수의 복장에는 아무런 제한 규정이 없다. ...........................................162
◆ 수상 스키 선수는 수상 스키를 탈 때 바다보다 호수를 더 선호하며, 스키점프 선수는 저지대보다고지대를 더 선호한다. .........................................................204
◆ 습도가 높은 날은 공기 밀도가 증가하여 몸이 무겁다. ........................................249
◆ 걷기, 달리기, 마라톤에 대한 오해와 진실 .............................................284
◆ 축구 스로인에서 공을 가장 멀리 던질 수 있는 최적의 투사 각도는 45°이며, 무회전으로 던지면더 멀리 날아간다. ...........................................................324
◆ 각도를 사용할 때, 도(degree)가 라디안(radian)보다 더 편하다. ....................342
◆ 올림픽 포환던지기 참가 선수 중에서 근력이 최고이면, 금메달은 따 놓은 당상이다. ..................380
◆ 운동마찰력은 최대 정지 마찰력보다 항상 크다. ..................................................436
◆ 스키 활강 선수들은 길이가 짧고 가벼운 스키 플레이트를 더 선호한다. ...........................497
◆ 딤플 수가 많을수록 좋은 골프공이다. ......................................................................553

Q&A
◆ 운동역학을 왜 배우는가? ........................................................................33
◆ 인체 움직임(운동)을 기술하는 방법을 왜 배우는가? ......................................................83
◆ 뼈를 늘려 키를 기울 수 있나요? .....................................................................108
◆ 유연성 훈련을 통해 부상 위험을 줄인 실제 사례는? ...................................................147
◆ 퇴행성관절염이 생기면 인공 관절 수술을 해야 한다는데 꼭 수술해야 하나요? ..................158
◆ 하던 운동을 그만두면 왜 살이 찌나요? ................................................204
◆ 달에 가면 무게가 줄어드는 이유는? ..................................................250
◆ 스포츠에서 가속도를 이해하는 것이 중요한 이유는? .........................................282
◆ 농구공은 투사 속력은 느리게, 투사 각도는 높이 던질수록 슛 성공률이 높아지는 이유는? ..........320
◆ 단거리 달리기 선수가 중장거리를 달린다고 해서 더 많은 파워를 낼 수 있는 게 아닌 이유는? ..377
◆ 세계적인 장대높이뛰기 선수들이 뛰어난 단거리 질주 능력을 소유해야만 하는 이유는? .......392
◆ 태권도 격파 시 손을 다치지 않는 이유는? .................................................464
◆ 우상혁 선수가 높이뛰기 바(bar)를 넘을 때 몸을 아치(arch) 형태로 만드는 이유는? ....499
◆ 수영장의 중앙인 4번 레인에 예선 기록이 제일 좋은 선수를 배정하는 이유는? .........549

운동역학 지식의 현장 적용
◆ 핸드스프링(Handspring) ..........................................................................79
◆ 철봉 차오르기 ......................................................................................109
◆ 축구공 멀리 차기 ..............................................................................................160
◆ 야구공 던지기 ......................................................................................................200
◆ 테니스 경기에 영향을 미치는 요인. 톱 스핀과 백 스핀 ..................................238
◆ 높이뛰기(High Jump) .........................................................................244
◆ 제자리멀리뛰기 ......................................................................................281
◆ 유도 업어치기 ...........................................................................................319
◆ 발레 파세 .............................................................................................354
◆ 단거리 달리기 ..........................................................................................403
◆ 수영 크롤 ...................................................................................................544