인체 바이오 엔진, 근육 기능의 최적화는 어떻게?

                                                                                      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. Herzog의 총설 논문을 참고하기 바란다.

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