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근육과 운동의 과학 - 최고 운동선수의 육체와 기술을 분석한다! ㅣ 뉴턴 하이라이트 Newton Highlight 118
아이뉴턴 편집부 지음 / 아이뉴턴(뉴턴코리아) / 2018년 4월
평점 : 
중학생을 위한 과학잡지 뉴턴 하이라이트
과학 단행본보며 중등과학교과연계학습 해주어요.
Newton HIGHLIGHT 118
근육과 운동의 과학
최고 운동선수의 육체와 기술을 분석한다!
스포츠에 열광하는 아들을 위한 과학잡지!
뉴턴하이라이트
과학월간지 뉴턴하이라이트 이번호는 스포츠와 과학의 연관성을 보여주며,
다양한 스포츠, 세계 최고 운동선수들의 신체와 운동 능력의 특성을 분석함으로써
그 방향일 확인하고, 사람의 운동 능력이 어떤 요소로 결정되는지 알려줍니다.
현대의 스포츠에서 신발, 운동복, 경기장 등도 기록 향상에 중요한 역할을
하며, 선수들의 남다른 운동 능력과 함께 이들의 기록을 뒷받침하는
지원 요소에 대해서도 과학의 눈으로 분석할 수 있습니다.
세계 최고 선수들은 피겨 스케이팅의 점프에서는 회전수를 다투고,
육상 100m 경주에서는 100분의 1초를 겨룬다.
수영이나 역도도 마찬가지이다. 라이벌보다 조금이라도 좋은 기록을
남기기 위해 전 세계의 선수들이 열심히 노력하고 있다.
그들의 남다른 운동 능력과 기술을 과학의 눈으로 규명한다.
피겨 스케이팅은 점프, 스텝, 스핀을 주요 기술로 해서 득점을 다투지만,
이들 기술 가운데서도 가장 역동적인 기술이 점프일 것이다.
피겨 스케이팅의 점프나 스핀에서 더욱 고속으로 회전하기 위해서는
각운동량 보존의 법칙에 따라, 신체 전체를 가능한 한 회전축에 가깝게
두어야 한다. 그래서 선수들은 팔을 가슴 앞으로 모으고 발을 교차해
더욱 빨리 회전하려고 한다.
'각 운동량'은 물체의 질량(m), 회전축 주위의 속도(v),
거기에 회전 반지름(r)의 곱셈으로 계산되는 '회전의 힘'이다.
회전시키는 힘이 밖에서 가해지지 않으면 각운동량은 일정하다.
따라서 피겨 스케이팅 예에서는 회전 반지름이 작아지는 만큼
회전 속도가 커진다.
볼트 선수는 왜 그렇게 빠를까? 그 답은 '주법'과 '체형'이 이상적으로
융합되었다는 점에 있다. 빠른 주법으로서 '무릎이나 발목을 써서 지면을
강하게 찬다.' '넓적다리를 높이 올린다.'고 배운 독자들도 많을 것이다.
그러나 후카시로 박사를 비롯해 생물 역학 전문가가 실시한 여러 분석에 따르면
세계의 일류 스프린터는 지면을 찰 때 무릎이나 발목에 의지하지 않고,
넓적다리를 높이 올리지 않는 것으로 보인다. 분석의 결과로 고관절(엉덩 관절)을
중심으로 다리를 '진자(흔들이)'처럼 회전 시키는 폼을 알게 되었다.
올림픽에서 사상 최다인 금메달 14개를 획득한 미국의
마이클 펠프스 선수. 그의 육체는 경영 선수에 가장 적합한 특징의 '전시장'이다.
펠프스 선수는 보통의 선수보다 몸이 크게 구부러진 자세의 버터플라이로 헤엄친다.
이로 인해 특히 돌핀 킥이 강력해져서 큰 추진력을 낳는 것으로 보인다.
추진력을 낳는 손바닥과 발 자체도 커서, 손바닥 킬이는 추정 22cm,
발의 길이는 추정 30cm에 가깝다. 또 버터플라이는 특히 큰 에너지 출력이
가능한데, 다른 종목에 비해 몸이 크면 유리하다.
야구나 축구에서 활약하는 최고 선수들은 다양한 변화구를 구사해
공을 교모하게 던지는 고묘하게 차고 있다.
메이저 리그에서 활약하는 다르빗슈 유 선수는 '다양한 변화구'를 던지는,
세계에서 손꼽히는 변화구의 명수이다.
마구를 만들어 내는 '마그누스 힘'은 공에서 본 공기의 흐름과 공의 회전 방향이
일치하는 쪽에서는 공기의 흐름이 공의 표면에서 벗어나는 위치가
뒤쪽으로 어긋난다. 그 결과 공의 뒤쪽 공기흐름이 한쪽으로 치우친다.
공은 이 반작용(마그누스힘)을 받는다.
마그누스 힘은 회전이 빨라질수록 커지고(회전 속도에 거래 비례),
공의 속도가 빨라질수록 커진다.
공은 공기로부터 힘을 받지 않는 한, 중력의 영향을 받아 포물선을
그리며 자연스럽게 떨어진다. 한편 백스핀의 걸린 직구에는
위쪽으로 마그누스 힘이 걸린다. 직선에 가까운 궤도로 나아가는 공이다.
'자연스러운 궤도(포물선 궤도)에서 벗어나 있다'는 점에서는
직구도 변화구라고 할 수 있다.
공의 속도가 같다면 회전 속도가 클수록 마그누스의 힘이 커진다.
그 때문에 회전 속도가 큰 공일수록 중력에 의한 낙하폭은 작아진다.
이것이 공끝이 살아 있는 직구의 정체 중 하나라고 생각된다.
만화에서는 날카롭게 휘어졌다가 다시 반대 방향으로 날카롭게
휘어지는 마구가 등장할 때가 있다.
공의 스핀에 따른 마그누수 힘을 이용해 이러한 마구를 던질 수는 없을까?
이러한 변화를 일으키기 위해서는 예를 들어 왼쪽으로 치우친 마그누스 힘을
오른쪽으로 치우치게 해야 한다. 이것을 실현하기 위해서느 날고 있는
공의 회전축이 크게 움직여야 한다.
그러나 안타깝게도 그것은 불가능하다. 왜냐하면 공의 회전축의 방향은
날고 있는 사이에 거의 변하기 않기 때문이다.
이것을 '자이로 효과'라고 부른다. 즉, 마그누수 힘을 이용해 왼쪽 페이지 위의
그림처럼 마구를 실현하는 일은 불가능하다.
축구에서 일류 선수가 차는 날카롭게 가로 방향으로 휘어지는 바나나킥(커브슛)도
마구라고 할 수 있다. 프리킥 장면에서는 골문과 키커 사이에 슛과 각도가 잡히면
상대팀의 몇 명이 가로로 늘어서서 벽을 만든다. 이때 바나나킥은 마그누스 힘으로
공을 휘어지게 해서 벽을 피개 공을 노릴 수 있다.
일류 선수가 차는 가로 방향으로 휘어지면서 떨어지는 슛은
공의 회전축이 지면에 대해 수직인 사이드 스핀의 경우,
공의 궤도를 가로 방향으로 휘어지게 하는 마그누스 힘이 발생한다.
그림처럼 회전축을 기울이면 마그누스 힘이 비스듬히
아래를 향해, 휘어지면서 떨어지는공이 된다.
최고 선수가 가지고 있는 뛰어난 운동 능력의 비밀을 규명하는 연구는
세포 속에 있는 미토콘드리아에까지 이르고 있다.
또 최고 선수의 특성을 찾기 위해 유전자에 대해서도 연구가 진행되어
지구력 계승과 순발력 계통의 유전자 차이 등도 알려지고 있다.
그 분야의 전문가인 야니스 피칠라디스 교수 인터뷰와
도핑의 최신 상황도 소개한다.
미토콘드리아는 어떤 모양을 하고 있을까? 미토콘드리아의 이름은
그리스어로 실을 의미하는 '미토'와 입자를 의미하는 '콘드리아'에서 유개한다.
미토콘드리아는 세포 안에서 빈번하게 융합하거나 분열하기를
반족하면서 다이내믹하게 움직이고 있다.
최신 연구에 따르면, 미토콘드리아끼리 물질을
주고 받으면서 협조적으로 일을 하는 것으로 보인다.
미토콘드리아의 수는 사람의 경우 세포 1개당 100개에서 3000개
정도이다 에너지가 필요한 세포일수록 미토콘드리아의 수가 많고,
사람의 경우에는 심장 근육과 세포나 다리 등의 골격근 세포,
신경 세포 등에 특히 많다.
몸의 움직임이 날렵하거나 스포츠에 숙달되는 정도가 빠르면
일반적으로 '운동 신경이 좋다.'고 말한다.
소뇌는 '어떤 운동을 하기 위해 필요한 근육으로 신호를 배분하는'
프로그램을 만들고, 대뇌의 세 영역과 제휴해 그것을 실행시킨다.
소뇌의 기능에서 주역은 '푸르키녜 세포'이며, 평행 섬유와 등정 섬유
각가을 통해 프로그램의 변화에 이어지는 신호를 받아 들인다.
운동에 관계하는 뇌의 구조나 기능은 개인차가 있으나
유아 때부터 중고생 때까지의 성장기에 서서히 변한다.
즉, '부모와 자식이 모두 뛰어난 운동선수'가 되는 커다란 이유는
이 같은 뇌의 성장기에 자식이 스포츠를 하는 환경의
혜택을 받았기 때문이라 생각된다. 그런데 적어도 신경 과학의
영역에서는 몇 살 무렵이 운동 신경을 향상 시키는 데
적절한 나이인가에 대한 정설이 없다.
스포츠를 할 수 있는 이유는 건강한 신체가 있기 때문이다.
그 신체를 뒷받침해 주는 것은 근육이다. 제 4장에서는 근육은
어떻게 만들어지는지, 근육을 단련시키기 위해 필요한 것은 무엇인지를 알아본다.
그리고 지나치게 사용된 근육이 '비명'을 지르는 근육통에 대한 대처법,
스포츠에 따르는 염좌와 탈구, 부상 등에 대해서도 알아본다.
또 신체가 유연한 것이 왜 중요한지, 흔히 발생하는 열중증의
예방에 대해서도 알아 볼 수 있다.
물건을 들어 올릴 때나 걸을 때 움직이기 위해서는 뼈를 움직여야 한다.
이 뼈를 움직이는 것이 골격근이다. 골격근은 온몸의 뼈에
붙어 있으며 그 수는 400개 정도이다. 근육의 무게는 몸무게의
40~50%를 차지한다. 골격근은 2개의 뼈에 걸쳐 붙어 있으며 관절
축으로 해서 골격을 상하로 움직이거나 회전시킨다.
몸속에는 다른 역할을 하는 다양한 근육이 작용하고 있다.
모든 근육은 '근섬유'라는 세포가 모여 이루어진다. 근섬유에는
기묘한 성질이 있다. 피부의 세포나 뼈의 세포와 달리 분열해서
늘어나지 않는다. 그렇다면 근육을 키우기 위해 운동선수 등이 하는
근력 트레이닝을 통해 근육이 굵어지는 이유는 무엇일까?
근육 트레이닝에서는 격렬한 운동을 통해 근육에 부하를 건다.
근육, 결국 근섬유가 부하가 걸리면 근섬유가 상처를 입고
그 둘레에 있는 '위성 세포'가 증식하기 시작한다.
우리가 몸을 움직일 수 있는 것은 몸속에 있는 근육 덕분이다.
한마디로 근육이라고 해도 몸 전체를 덮은 '골격근',
심장을 박동시키는 '심근', 혈관이나 내장을 덮는 '평활근' 등으로 나뉘며,
이 가운데 몸의 움직임을 만들어 내는 것은 골격근이다.
인체에 대량으로 있는 근육은 단지 힘을 만들어 내는 것만이 아니라
자신의 전신의 건강 유지에 관여한다는 사실이 최근 밝혀지고 있다.
결국 근육을 단련하는 것은 스포츠 능력 향상이나 멋진 몸매를
얻기 위해서만이 아니라 건강을 유지하는 데도 중요한 셈이다.
이렇게 과학잡지 뉴턴하이라이트 과학월간지 '근육과 운동의 과학'으로
우리몸의 근육과 운동을 과학적인 설명으로 살펴보았어요.
중학생이 되고 과학분야를 좀 더 심층적으로 알려주고 싶은
책을 고르다가 과학잡지 뉴턴하이라이트를 알게되었는데,
많은 정보와 자세한 설명글 그리고 무엇보다 선명하고
생생한 사진과 그래픽으로 아이들이 이해를 하는데 큰 도움이 되네요.
매월 발간되는 과학월간지로 매달 새로운 주제를 만나 볼 수 있으니
4차산업혁명을 대비해야 하는 우리아이들에게 큰 도움이 되는
과학잡지가 될 것 같아요