운동역학의 스포츠 적용 - 각운동의 운동역학적 분석

1. 토크(torque, 힘의 모먼트)

 

- 토크는 회전을 일으키는 효과이다.

- 토크(T) = 작용하는 힘(F) X 모멘트 암(D)

- 물체의 중심점에서 벗어나 작용된 힘은 그 물체를 회전시키려 하는 힘이 발생하게 된다.

- 토크는 회전축으로부터 모멘트 암이 클수록 커진다.

- 토크의 원리를 이용하는 놀이기구 시소가 있다.

- 일상생활 또는 스포츠 상황 속에서 토크(torque) 바르게 올바르게 활용하는 방법이다.

① 유도의 업어치기 시 상대와 자신의 신체 중심 거리를 최대한 좁히는 것이다.

② 볼트(bolt)를 쉽게 돌리기 위하여 렌치(wrench)를 이용하는 것이다.

③ 테니스 서브를 강하게 하기 위해 공을 임팩트할 때 신체를 최대한 신전하는 것이다.

④ 역도에서 바벨을 몸의 중심에 가까이 유지하면서 들어 올리는 것이다.

 

각운동의 운동역학적 분석

 

 

2. 관성 모멘트(moment of inertia)

 

- 회전운동에서의 관성, 회전 관성이다.

- 각운동에서의 외부로부터 가해진 토크에 대해 물체의 운동 상태를 변화시키지 않으려고 하는 성질, 즉 회전 지속이다.

- 한 직선을 축으로 회전하는 각운동에서 물체에 토크를 가하여도 돌아가지 않으려고 하는 성질, 즉 회전저항이다.

- 회전 관성은 회전축으로부터의 질량 분포에 따라 다르다.

 

각운동의 운동역학적 분석

 

 

3. 뉴턴의 각운 동법

 

- 뉴턴의 <제1 법칙> 관성의 법칙을 각운동에 적용하여 각운동량 보존의 법칙이라 한다.

- 외부에서 회전력이 작용하지 않는 한, 중심축을 기준으로 일정한 각 운동량을 가지며 회전 상태를 지속하는 것이다.

 

각운동의 운동역학적 분석

 

 

4. 각운동량 보존 및 전이

 

- 다이빙 동작의 각 단계에서 각운동량 보존의 법칙의 적용 결과이다.

- 도약 시 몸을 최대로 신전시켜서 관성 모멘트를 최대화한다.

- 공중 동작에서 몸을 최대로 굴곡시켜서 관성모멘트를 최소화하고 각속도를 크게 한다.

- 입수 시 수면과 수직방향으로 몸을 최대로 신전시켜서 관성 모멘트를 최대화하고 각속도를 최소화해야 한다.

- 운동 상황에서 운동량 보존과 전이에 대한 예시(공기저항을 무시한다)

① 다이빙의 공중 동작에서 각운동량은 보존된다.

② 축구의 인프런트 킥에서 발끝 속도는 몸통의 각운동량이 하지로 전이되어 발생한다.

③ 높이뛰기에서 이륙 후 인체의 총각 운동량은 일정하다.

 

각운동의 운동역학적 분석

 

 

5. 구심력과 원심력

 

- 구심력은 원운동을 발생시키는 원인으로 원이 중심을 향한다.

- 원심력은 원운동을 하는 물체가 바깥쪽으로 벗어나려고 하는 경향을 나타내는 힘이다.

- 운동 상황에서 구심력과 원심력에 대한 설명 예시

① 해머 던지기 선수 : 원심력에 저항하기 위해 투척할 때 후경 자세를 취한다.

② 쇼트트랙 선수 : 곡선주로에서 원심력을 줄이려고 왼손으로 빙판을 짚는 동작을 취한다.

③ 벨로드롬 사이클 곡선주로에서 지면 마찰력이 구심력으로 작용한다.