도약
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1. 개요
도약은 기질에 힘을 가하여 반작용력을 생성하는 물리적 현상으로, 생물체와 기계 시스템에서 나타난다. 물리학적으로는 발사체의 궤적과 운동 에너지, 일률 등이 점프의 거리와 높이를 결정하며, 점프의 종류는 제자리 점프와 이동 점프로 구분된다. 동물들은 긴 다리, 큰 근육, 탄성 에너지 저장 등을 활용하여 도약 능력을 향상시키며, 해부학적 적응을 통해 도약 범위를 확장한다. 도약은 점프, 홉, 리프 등 다양한 형태로 분류되며, 제자리멀리뛰기의 역학은 이륙 각도와 관련이 있다. 트램펄린이나 플라이오메트릭스 운동을 통해 점프 높이를 향상시킬 수 있으며, 로봇 기술에도 응용된다.
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| 도약 | |
|---|---|
| 도약 | |
| 설명 | 동물이나 인간이 추진력을 얻어 공중으로 솟아오르는 행위 |
| 관련 용어 | 뛰기 점프 뜀뛰기 |
| 생물학적 관점 | |
| 도약 주체 | 동물 인간 |
| 도약 방법 | 다리 근육의 힘을 이용하여 땅을 박차고 공중으로 솟아오름 |
| 스포츠 | |
| 도약 종목 | 높이뛰기 멀리뛰기 장대높이뛰기 세단뛰기 스키 점프 다이빙 체조 트램펄린 |
| 기술적 관점 | |
| 도약 주체 | 기계 시스템 |
| 예시 | 로봇, 차량 등이 추진 시스템을 이용하여 공중으로 도약하는 행위 |
2. 물리학
thumb 무용수가 실행하는 분할 점프]]
물리학에서 도약은 탄도 궤적의 기본 법칙에 의해 지배된다.
2. 1. 점프와 관련된 힘
모든 점프는 기질에 힘을 가하는 것을 포함하며, 이는 차례로 점퍼를 기질에서 밀어내는 반작용력을 생성한다. 반대되는 힘을 생성할 수 있는 모든 고체 또는 액체는 지면이나 물을 포함하여 기질 역할을 할 수 있다. 후자의 예로는 이동 점프를 수행하는 병코돌고래와 물에서 일어서서 점프하는 인도 스키터 개구리가 있다.[1]점프하는 유기체는 거의 공기역학적 힘의 영향을 받지 않으며, 그 결과 점프는 탄도 궤적의 기본적인 물리 법칙에 의해 지배된다. 따라서 새가 비행을 시작하기 위해 공중으로 점프할 수 있지만, 일단 공중에 떠오르면 수행하는 어떤 움직임도 점프로 간주되지 않는데, 이는 초기 점프 조건이 더 이상 비행 경로를 지시하지 않기 때문이다.[1]
발사 순간(즉, 기질과의 초기 접촉 손실) 이후, 점퍼는 포물선 경로를 횡단한다. 발사 각도와 초기 발사 속도는 점프의 이동 거리, 지속 시간 및 높이를 결정한다. 발사체의 최대 수평 이동 거리는 발사 각도 45°에서 발생하지만, 35°에서 55° 사이의 모든 발사 각도는 최대 가능 거리의 90%를 얻을 것이다. 그러나 수평 거리를 최대화하는 인간의 점프 각도는 약 23-26°로 더 낮다.[1]
근육(또는 비생명 시스템의 다른 액추에이터)은 물리적 작업을 수행하여 점프 추진 단계 동안 점퍼의 몸에 운동 에너지를 추가한다. 이것은 점퍼의 속도의 제곱에 비례하는 발사 시의 운동 에너지를 발생시킨다. 근육이 더 많은 작업을 할수록 발사 속도가 커지고 따라서 가속도가 커지고 점프 추진 단계의 시간 간격이 짧아진다.[1]
기계적 일률(단위 시간당 일)과 해당 일률이 적용되는 거리(예: 다리 길이)는 점프 거리와 높이의 주요 결정 요인이다. 결과적으로, 많은 점프하는 동물들은 긴 다리와 근육의 힘-속도 관계에 따라 최대 일률을 위해 최적화된 근육을 가지고 있다. 그러나 근육의 최대 일률 출력은 제한되어 있다. 이러한 제한을 피하기 위해 많은 점프 종은 힘줄 또는 아포데메와 같은 탄성 요소를 천천히 미리 늘여서 변형 에너지로 작업을 저장한다. 이러한 탄성 요소는 동일한 근육 질량보다 훨씬 더 높은 속도(더 높은 일률)로 에너지를 방출할 수 있으므로 근육만으로는 불가능한 수준으로 발사 에너지를 증가시킨다.[1]
점퍼는 점프를 시작할 때 정지 상태이거나 움직이고 있을 수 있다. 정지 상태에서 점프(즉, ''제자리 점프'')에서 몸을 발사하는 데 필요한 모든 작업은 단일 동작으로 수행된다. ''이동 점프'' 또는 ''달리기 점프''에서 점퍼는 가능한 한 많은 수평 운동량을 보존하면서 발사 시 추가적인 수직 속도를 도입한다. 점프 동작만으로 발사 시 점퍼의 운동 에너지가 발생하는 정지 점프와 달리, 이동 점프는 점프 전 수평 속도를 포함하여 더 높은 에너지를 갖는다. 결과적으로 점퍼는 달리기에서 시작할 때 더 먼 거리를 점프할 수 있다.[1]
3. 해부학
동물은 도약을 위해 다양한 해부학적 적응을 사용한다. 이러한 적응은 발사에만 관련되며, 도약 범위를 넓히거나 제어하는 것은 공기역학적 힘을 사용하므로 활공 또는 낙하산으로 간주된다.
수생 종은 도약을 위한 특별한 전문화가 거의 없다. 도약을 잘하는 종은 대개 속도에 적응하며, 빠른 속도로 수면으로 헤엄쳐 올라가 도약한다. 갯벌 드렁어처럼 육상에서 도약하는 일부 수생 종은 꼬리를 홱 젖혀 도약한다.
3. 1. 사지 형태
동물들은 도약을 위해 다양한 해부학적 적응을 사용한다. 이러한 적응은 전적으로 발사에 관련된 것으로, 도약 범위를 확장하거나 제어하는 모든 발사 후 방법은 공기역학적 힘을 사용해야 하므로 활공 또는 낙하산으로 간주된다.
수생 종은 도약을 위한 특별한 전문화를 거의 보이지 않는다. 도약을 잘하는 종은 일반적으로 속도에 주로 적응하며, 단순히 빠른 속도로 수면으로 헤엄쳐 올라가 움직이는 도약을 수행한다. 갯벌 드렁어와 같이 육상에서 도약할 수 있는 몇몇 주요 수생 종은 꼬리를 홱 젖혀서 도약한다. 육상 동물에서 주요 추진 구조는 다리이지만, 일부 종은 꼬리를 사용하기도 한다. 점프하는 종의 전형적인 특징으로는 긴 다리, 큰 다리 근육, 그리고 추가적인 다리 요소가 있다.
긴 다리는 점프하는 동물이 지면을 밀어내는 시간과 거리를 늘려 더 많은 힘을 내고 더 빠르고 멀리 점프할 수 있게 한다. 큰 다리 근육은 더 큰 힘을 생성하여 점프 성능을 향상시킨다. 다리 요소의 연장 외에도, 많은 점프 동물은 발과 발목 뼈가 길어지고 추가적인 관절을 갖도록 변형되어, 다리에 더 많은 분절을 추가하고 길이를 더욱 늘린다.
개구리는 이 세 가지 경향을 잘 보여준다. 개구리 다리는 몸 길이의 거의 두 배가 될 수 있으며, 다리 근육은 체중의 최대 20%를 차지할 수 있다. 개구리는 발, 정강이, 허벅지를 길게 했을 뿐만 아니라 발목 뼈를 또 다른 다리 관절로 확장하고, 엉덩이 뼈를 확장하여 천골에서 이동성을 확보하여 두 번째 '추가 관절'을 얻었다. 그 결과, 개구리는 50배 이상의 몸 길이를 뛰어넘는 척추동물 중 명실상부한 점프 챔피언이며, 이는 약 2.44m가 넘는 거리이다.[1]
3. 2. 저장된 에너지를 통한 힘 증폭
근육(또는 비생명 시스템의 다른 액추에이터)은 물리적 작업을 수행하여 점프 추진 단계 동안 점퍼의 몸에 운동 에너지를 추가한다. 이것은 점퍼의 속도의 제곱에 비례하는 발사 시의 운동 에너지를 발생시킨다. 근육이 더 많은 작업을 할수록 발사 속도가 커지고 따라서 가속도가 커지며, 점프 추진 단계의 시간 간격이 짧아진다.기계적 일률(단위 시간당 일)과 해당 일률이 적용되는 거리(예: 다리 길이)는 점프 거리와 높이의 주요 결정 요인이다. 결과적으로, 많은 점프하는 동물들은 긴 다리와 근육의 힘-속도 관계에 따라 최대 일률을 위해 최적화된 근육을 가지고 있다. 그러나 근육의 최대 일률 출력은 제한되어 있다. 이러한 제한을 피하기 위해 많은 점프 종은 힘줄 또는 아포데메와 같은 탄성 요소를 천천히 미리 늘여서 변형 에너지로 작업을 저장한다. 이러한 탄성 요소는 동일한 근육 질량보다 훨씬 더 높은 속도(더 높은 일률)로 에너지를 방출할 수 있으므로, 근육만으로는 불가능한 수준으로 발사 에너지를 증가시킨다.
메뚜기는 탄성 에너지 저장을 사용하여 도약 거리를 늘린다. 전력 출력은 도약 거리의 주요 결정 요인이지만, 생리적 제약으로 인해 근육 전력은 근육 1kg당 약 375와트로 제한된다.[2] 이러한 한계를 극복하기 위해 메뚜기는 근육이 탄성 아포뎀 (척추 동물의 힘줄과 유사)을 늘리는 동안 내부 "캐치 메커니즘"을 통해 다리를 고정한다. 캐치가 해제되면 아포뎀은 에너지를 빠르게 방출한다. 아포뎀이 근육보다 더 빠르게 에너지를 방출하기 때문에, 아포뎀의 출력은 에너지를 생성한 근육의 출력을 초과한다.
이는 사람이 손으로 화살을 던지는 것과 활을 사용하는 것에 비유할 수 있다. 탄성 저장(활)의 사용은 근육이 힘-속도 곡선에서 등척성에 더 가깝게 작동할 수 있게 해준다. 이를 통해 근육은 더 오랜 시간 동안 작동하여 그렇지 않을 경우보다 더 많은 에너지를 생성할 수 있으며, 탄성 요소는 근육이 방출할 수 있는 속도보다 더 빠르게 해당 작업을 방출한다. 탄성 에너지 저장은 점프하는 포유류뿐만 아니라 개구리에서도 발견되었으며, 해당 근육량의 2~7배에 달하는 전력 증가를 가져온다.[3]
4. 분류
도약은 발의 움직임에 따라 분류할 수 있다.[15] 이 분류 체계에서는 다섯 가지 기본 도약 형태를 구별한다.
- 두 발로 도약한 뒤 두 발로 착지
- 한 발로 도약한 뒤 같은 발로 착지
- 한 발로 도약한 뒤 다른 쪽 발로 착지
- 한 발로 도약한 뒤 두 발로 착지
- 두 발로 도약한 뒤 한 발로 착지
점프를 분류하는 다른 방법은 발의 이동 방식에 따른 것이다.[4] 이 분류 체계에서는 다섯 가지 기본 점프 형태를 구분한다.
- '''점프''' – 두 발로 뛰어올라 두 발로 착지
- '''홉''' – 한 발로 뛰어올라 같은 발로 착지
- '''리프''' – 한 발로 뛰어올라 다른 발로 착지
- '''아상블레''' – 한 발로 뛰어올라 두 발로 착지
- '''시손''' – 두 발로 뛰어올라 한 발로 착지
달리기 보법(이동 참조)과는 구별되는 리프 보법에는 캔터, 갤럽, 스토팅 또는 프롱잉이 있다.[5] 일부 자료에서는 반복적인 점프의 순환 운동으로, 다음 점프까지의 에너지를 유지하는 데 사용되는 바운딩을 구분하기도 한다.[6]
5. 제자리 멀리뛰기 역학
인간이 수행하는 제자리멀리뛰기의 최적 이륙 각도는 이론적으로 약 22.6°로 계산되었으며,[7] 이는 발사체의 최적 이륙 각도(45°)보다 상당히 낮다.[8] 이는 점퍼의 신체 구성으로 인해 이륙 각도가 증가함에 따라 이륙 속도가 감소하기 때문이다.[7] 숙련된 파쿠르 선수들은 약 25.6°의 이륙 각도를 사용하는 반면, 초보 트레이서들은 약 34°의 각도를 사용하는 것으로 나타났다.[9] 숙련된 선수들은 또한 이륙하기 전에 팔을 더 크게 흔들고 뒤로 흔드는 경향이 있다. 이러한 요인들은 파쿠르 선수들이 초보자보다 더 긴 제자리멀리뛰기를 수행하는 데 도움이 된다.[9]
(공식) 남자 제자리멀리뛰기 세계 기록은 371cm, 여자 기록은 292cm이다(2023년 6월 기준). 이는 각각 아르네 트베르보그와 아넬린 마네스가 달성했다.[10] 18세 남성의 제자리멀리뛰기 거리는 146.2cm에서 219.8cm(10~90 백분위수) 사이이며, 18세 여성의 경우 100cm에서 157cm 사이이다.[11]
6. 높이 향상 장치 및 기술
점프 높이는 트램펄린을 사용하거나 하프 파이프와 같은 장치의 도움을 받아 수평 속도를 수직 속도로 변환하여 높일 수 있다.
다양한 운동을 사용하여 운동 선수의 수직 점프 높이를 높일 수 있다. 이러한 운동의 한 범주인 플라이오메트릭스는 속도, 민첩성 및 파워를 증가시키기 위해 개별 점프 관련 동작을 반복한다.
더 활동적인 아이들이 다른 기본 운동 기술과 함께 더 능숙한 점프 패턴을 보인다는 연구 결과가 있다.[12]
또한 어린이의 점프 발달은 나이와 직접적인 관련이 있는 것으로 나타났다. 아이들이 나이가 들어감에 따라 모든 형태의 점프 능력도 증가하는 것을 볼 수 있다. 어린 나이에는 신체적 차이가 적기 때문에 성인보다 아이에게서 점프 발달을 더 쉽게 식별할 수 있다. 같은 나이의 성인은 신체적 능력과 운동 능력 측면에서 매우 다를 수 있으므로 나이가 점프 능력에 어떤 영향을 미치는지 확인하기가 어렵다.[13]
2021년 연구자들은 래칫을 로봇 설계에 통합하여 수직으로 30m 이상 점프할 수 있는 로봇을 만들었다.[14]
참조
[1]
논문
Anuran Locomotion: Structure and Function. II. Jumping performance of semiacquatic, terrestrial, and arboreal frogs
1978
[2]
논문
Jumping ability of anuran amphibians
1994
[3]
논문
Work and power output in the hindlimb muscles of cuban tree frogs Osteopilus septentrionalis during jumping
1997
[4]
서적
Study Guide for Elementary Labanotation
[5]
서적
Understanding Balance: The Mechanics of Posture and Locomotion
Nelson Thornes
1995
[6]
논문
Conquering the world in leaps and bounds: hopping locomotion in toads is actually bounding
2015-03-28
[7]
논문
Optimum take-off angle in the standing long jump
https://pubmed.ncbi.[...]
2005-02
[8]
웹사이트
How Should You Launch a Ball to Achieve the Greatest Distance?
https://www.scientif[...]
2023-06-18
[9]
논문
The adaptation to standing long jump distance in parkour is performed by the modulation of specific variables prior and during take-off
https://www.mov-spor[...]
2018
[10]
웹사이트
Standing long jumps (Ath)
https://www.guinness[...]
2023-06-18
[11]
논문
Percentile values of the standing broad jump in children and adolescents aged 6-18 years old
2020-06-17
[12]
논문
The Relationship between Fundamental Motor Skills and Outside-School Physical Activity of Elementary School Children
2006-11
[13]
논문
The development of the physical fitness construct across childhood
2018-01-01
[14]
뉴스
Record-Breaking Robot Highlights How Animals Excel at Jumping
https://www.quantama[...]
Quanta Magazine
2022
[15]
서적
Study Guide for Elementary Labanotation
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