글 / 이해동 (연세대학교 체육교육과 교수)

이번 칼럼에서는 운동 수행 능력을 최적화 시키기 위해 인체의 바이오 엔진이라고 할 수 있는 근육의
기능 최적화에 대하여 이 분야의 권위자인 Dr. Walter Herzog (Faculty of Kinesiology, University of
Calgary)가 Sport-Orthopadie-Sport-Traumatologie 25:286-293 (2009)에 게재한 “The biomechanics of
muscle contraction: optimizing sport performance”를 바탕으로 논의해 보고자 한다.

인체의 움직임은 근수축으로 발현된 힘에 의해서 만들어진다. 특히 최대 근파워를 필요로 하는 스포츠
에서는 근육의 수축 특성이 기록을 좌우한다고 해도 과언이 아닐 것이다. 주•도•투가 주를 이루는 육상
경기뿐만 아니라 스피드 스케이팅, 스프린트 사이클, 야구, 축구 등 많은 스포츠 종목에서 근육의 폭발
적인 파워를 필요로 하며, 이는 주동근뿐만 아니라 (1) 협력근들의 효과적인 작용, (2) 최대 근활성화,
그리고 (3) 최적화된 근육의 기계학적 특성이 필요하다.

공학적인 개념에서 근파워(P)는 아래 공식과 같이 나타낼 수 있다.


F 시스템에 작용하는 기계학적인 힘; r 시스템의 전위; v 속도: t 시간

이 공식을 바탕으로 우리는 어떻게 근파워를 최대화 시킬 수 있을까? 이 질문에 대한 당연하고 명확한
답변은 트레이닝을 통해 근력(F)과 수축속도(v)를 극대화 시키면 된다는 것이다. 하지만 완벽하게 훈련된
선수의 경우 더 이상의 근력과 수축 속도의 향상을 기대하기는 힘들다. 이 경우 근육의 기초 수축 특성인
길이와 최대 근력 그리고 수축 속도와 근력(혹은 파워)을 생각해 볼 필요가 있다(그림 1).


                     (그림 1) 근육길이-최대 근력(Force-Length Relationship, FLR; 좌)과 수축 속도
                                    -근력(파워)(Force(Power)-Velocity Relationship, FVR; 우) 관계


근육의 길이와 최대 근력 관계(Force-Length Relationship, FLR): 근육이 발현할 수 있는 최대 등척성
근력은 근육의 길이에 의해서 결정된다. 이 관계는 1966년 Gordon 등에 의해서 밝혀졌는데 근절
(sarcomere)을 구성하는 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트 사이에서 힘을 발현하는 크로스브릿지의
숫자가 최적인 길이(최적 근육길이)에서 최대 근력이 발현되고 이 길이를 중심으로 길이가 짧아지거나
길어지면 근력 발현 잠재력은 감소하게 된다. 이 관계를 바탕으로 운동선수의 운동능력 향상에 대하여
생각해 보면, 최대 근파워를 발현하기 위해서는 주어진 관절의 운동 범위를 고려하여(인체 근육은
관절의 운동범위 제한 때문에FLR 전 영역을 사용하지 못한다.) 최적 근육길이에 가장 가까운 영역에서
동작을 수행한다면 보다 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다.

근육의 수축 속도와 최대 근력 관계(Force-Velocity Relationship, FVR): 앞서 언급한 공식에서와 같이
근파워는 근력과 수축 속도의 곱으로 표현할 수 있다. 따라서 계산된 근파워값을 수축 속도에 대해
나타내면 근수축 속도와 근파워와의 관계를 얻을 수 있다. 일반적으로 최대 근파워를 낼 수 있는 근육의
수축 속도는 최대 근수축 속도의 약 30% 지점이라고 보고되고 있는데 이론적으로 앞서 언급한 최적
근육의 길이에서 최대 근수축 속도의 30% 정도로 수축할 때 근육은 최적 수행 능력을 발휘할 수 있다.

 

                                   (그림 2) 사이클 선수와 육상 선수의 기초 근수축 특성 차이


훈련을 통한 기초 근수축 특성 변화: 사이클 선수와 육상 선수는 운동 수행 자세에 있어서 차이를
보인다. 사이클 선수는 고관절이 상당히 굴곡된 상태에서 운동을 수행하고 육상 선수는 고관절이
신전된 상태에서 운동을 수행한다. 즉 사이클 선수는 상대적으로 짧은 근육 길이에서 근파워를 필요로
하고, 육상 선수는 상대적으로 긴 근육 길이에서 근파워를 필요로 한다. 이러한 점을 운동자세의
해부학적 차이로부터 알 수 있으며, 특히 대퇴사두근의 하나인 대퇴직근(rectus femoris)의 운동범위가
두 종목간에 큰 차이가 난다는 점을 쉽게 알 수 있다. 이와 같은 종목 특성을 반영하듯이 사이클 선수는
짧은 근육 길이, 육상 선수는 긴 근육 길이에서 최대 근파워를 발휘할 수 있는 특성화된 근수축 특성을
가지고 있는 것을 볼 수 있다. 우수한 선수들은 유전적으로 이러한 특성을 타고 난 것인지, 아니면
장기간의 강도 높은 훈련이 이와 같은 특성을 만들어 낸 것인지에 대해서는 현재 명확하지 않다.
하지만 일반인들의 근수축 특성이 크게 차이가 나지 않는 점을 고려해 보면 종목의 특성과 장기간의
고강도 트레이닝이 그림 2에서와 같이 대퇴직근의 기초 근수축 특성까지 변화시키지 않았나 생각해
볼 수 있다. 이 점을 고려하여 선수들에게 최적 바이오 엔진 장착 시키기 위해서 현재 스포츠 과학자와
현장 지도자 간의 긴밀한 협조를 통해 종목의 특성을 반영할 수 있는 특성화된 트레이닝 방법
연구/개발이 활발히 진행되고 있다.

근역학적 측면에서 최적 근파워 발현을 위한 스포츠 과학에 대하여 간략하게 논의해 보았다. 보다 자세한 내용은 이 칼럼의 바탕이 된 Dr. Herzog총설 논문을 참고하기 바란다.

ⓒ 스포츠둥지



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                                                                                         글 / 이해동 (연세대학교 체육교육과 교수) 


지난 칼럼 (근육 기능에 영향을 미치는, 4가지 요인)에서는 근육의 수축 특성에 대하여 소개하였다.
이번 칼럼에서는 근수축 특성과 관련하여 다양한 구조 수준에서 근육의 기능에 영향을 미칠 수 있는
요인 중 “건조직 (tendon tissue)”에 대해서 이야기 해 보고자 한다.

인체의 움직임이 발현되는 과정은 다음과 같이 간략하게 정리해 볼 수 있다: 신경으로부터 신호를
받은 근육이 수축을 통하여 기계학적인 힘을 발현하면, 이 힘이 근육과 연결된 뼈에 전달되며, 그
뼈들이 구성하는 관절에서 근육이 발현한 근력과 근육과 관절의 공간적 구조에 의해서 만들어지는
모멘트암의 복합적인 작용으로 회전력이 만들어내게 되며, 이 회전력에 의해서 관절이 움직이게 된다.
따라서 관절에서의 움직임을 심도 있게  이해하기 위해서는 근육 자체의 힘 발현 능력뿐만 아니라 신경
-근육-골격이 구성하는 시스템에 대한 이해가 필요하다. 본 칼럼에서 집중적으로 다루고자 하는 부분은
근수축에 의해 발현된 근력이 뼈에 전달되는 과정에서 중요한 역할을 담당하는 건조직의 특성 및 기능이다.

인체의 근육은 뼈에 직접 연결되거나 건 혹은 건막을 통해서 연결된다(그림 1). 많은 근육들은 건조직
을 통해서 뼈에 연결되는데, 건은 스프링(탄성체)과 같은 특성을 갖는다(Alexander 2002). 잡아당기면
늘어나고 당기는 힘이 제거되면 원래 길이로 돌아오는 탄성 특성은 인체 근육의 활동을 보다 효율적으로
만들어 주는 중요한 역할을 한다.


                                       (그림 1) 자기공명 영상을 사용한 아킬레스건과 건막의
                                                      삼차원 구조 특성 (Lee et al., 2006)


건의 특성은 일반적으로 사체연구를 통해 얻는데, “잡아당기는 힘(tension force)”에 따른 “길이 변화(elongation 혹은 deformation)" 곡선으로부터 경도(stiffness)와 강도(failure load) 등의 변인을 추출하여
기계학적 특성을 결정한다(그림 2). 이와 같은 건의 탄성 특성 때문에 육안으로 관절의 움직임을
관찰하여근육의 수축 모드(등척성, 단축성 혹은 신장성)를 판단할 경우 실제 수행되는 근육의 수축
모드를 다르게 결정할 수 있다. Griffiths의 연구(1991)에서는 근육의 길이가 늘어나는 와중에도
근섬유의 길이는 일정하게 유지되거나 짧아질 수 있다는 결과를 보고 하였다. 이 결과는 최근 의료
영상을 활용한 인체 연구에서도 증명 되었다(Kawakami et al., 2002). 즉 관절의 각도, 근육의 길이,
근섬유 길이의 변화는 동기화된 형태로 나타나지 않는데, 이는 탄성 특성을 갖는 건의 역할 때문
이라고 할 수 있다.


                                   (그림 2) 하지 삼두근 건의 기계학적 특성 (Roger et al., 2002)

건의 탄성 특성은 우리가 일상생활에서 행하는 걷기, 뛰기와 같은 기초적인 이동 동작에서 건의
길이가 늘어나면서 저장한 탄성 에너지를 추진 구간에서 재활용 할 수 있게끔 도와주어 근수축
활동을 경감시키고 따라서 근수축에 필요한 대사 에너지를 절감시키는 역할을 한다. 또한 주(週),
도(跳), 투(投) 동작을 포함하는 많은 스포츠 활동에서 근육만 존재했을 경우보다 효과적으로 더
높이 뛰고, 멀리 던지고, 빠르게 달릴 수 있도록 도와주는 기능뿐만 아니라 건의 탄성으로 인해서
건 자체와
근육의 상해를 예방하는 기능도 수행한다.  
인체의 골격근은 부하환경에 민감하게 적응하는 기관
이다. 이 칼럼이 부가적으로 제공하는 정보는 근육과 함께 인체의 건조직 또한 주어진 부하 환경에
적합한 근-건 복합체 기능을 수행할 수 있도록 그 특성이 변한다는 점이다.  Reeves et al. (2002)의
연구에서 14주의 저항 운동이 슬개건 경도를 69% 증가시켰다는 결과는 건의 부하환경 적응성이
근육과 견줄 만 하다는 점을 보여주고 있다(그림 3), 또한 노화에 따른 건 특성의 변화로서 최근
Onambele et al. (2006)은 하지 삼두근 건막의 경도가 노화에 따라 감소한다고 보고하였다.  



                              (그림 3) 트레이닝에 의한 건의 탄성 특성 변화 (Reeves et al., 2003)

요약하면, 탄성 특성을 갖는 ‘건’이라는 조직은 근육과 함께 근-건 복합체를 구성하여 인체 동작의
효율성을 증대시키고, 운동 기능을 향상 시키며, 상해를 예방하는 기능을 수행하는 조직으로서 
부하환경에 잘 적응하는 특성을 가지고 있다.
따라서 건조직의 특성은 특성은 인체의 움직임 특히
스포츠와 관련된 기능의 이해에서 연관 조직의 기능과 더불어 항상 염두에 두어 야할 중요한
조직이다. 

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