身体運動を生体力学的に捉える~重力、物体、モーメントの関係性について～
前回の続きで、本日は運動力学的分析をする際に必要な、【力】について共有できればと思います。
身体運動の中の【力】とは
力は、物を押す・引くなどをするときの筋の力の感覚や努力間に由来する言葉です。
物を押したり持ち上げたりする身体運動に筋力が必要であることは、直感的に理解できます。
筋力
今、筋力の話がありましたが、筋力とは静止張力、活動張力、全張力とがあります。
筋は自ら伸展することはありません。
筋収縮は求心性収縮と遠心性収縮とがありますが、一次元一方向の力です。
筋肉を収縮させることで筋力が発揮されることで生まれる張力を活動張力といい、ストレッチなどで伸ばされている筋収縮はないけれども、ゴムのように突っ張った張力を静止張力といいます。
筋力が発揮、筋張力が生まれた場合、重たい抵抗のあるものを動かす場合です。
その重たいという感覚は重力があるからです。
重力
単位はキログラム重（kgw）
地上の物体には地球の中心に向かう重力が働いているため、物を空中で落とすと下方に落下します。
この重力は物の重さ（重量）として感じられます。
例えば、人の体重が50㎏とします。
そうすると、50㎏の重力を受けているという表現になります。
筋力は、重力に勝つためのものと言っても過言ではありません。
筋力と重力の話をしましたが、筋力と重力がどの方向に向かっているのか、どれくらいの力が発揮されているのだろうかを知るために矢印で表現され、そのことをベクトルと言います。
ベクトルは、力の作用点、作用点から図った矢印の長さを力の大きさとします。矢印を含む直線を力の作用線といい、作用線が力の方向、矢印の向きが力を表します。
反対に、時間や温度など、大きさだけを指定すれば定まる量をスカラーと言います。
物体について
物体の状態は、個体、液体（流体）、気体に分けられます。
外力が加わっても形を変化しない個体を【剛体】と言います。
人間の体で例えると内臓等ではなく骨です。
人間は骨が動き、その動かしているのが筋肉です
身体を扱う時は、骨格系を剛体とするため、関節によって連結した人体の剛体モデルとも言えます。
剛体の運動では、並進運動に加えて回転運動がおこります。
身体運動の多くは、関節を軸とした体節の回転運動から成り立っています。
この回転運動の筋力や重力の作用を図る尺度としてモーメント・トルクが用いられます。
余は、回転運動にどれくらい力が加わっているのの尺度です。
モーメント・トルク
モーメントは回転作用の力の尺度で、回転作用は回転軸を支点に垂直方向へと作用してます。
てこの釣り合いを例に挙げます。
W1の下方への長いベクトルとW2から下方への短いベクトルが、Oを支点にあります。
このベクトルの長さによってモーメントの力が決まります。
W1はOを支点に回転するため反時計回りに作用します。
W2はOを支点に回転すると時計回りになります。
この両者のモーメントが同率になるとつりあいが取れます。
モーメントアームがなんて話を聞くと思いますが、手に重りを乗っけると肘を支点に下方へのモーメント、回転作用が生じますが、筋肉により上へのモーメントを作って釣り合っているってだけの話です。
剛体の平衡条件
数学的な話になりますが、動きが出るということは、力が働いており合力が0＜という状態で、合力が0の場合、動きが止まった平衡状態となります。
この場合の合力というのは、その支点にかかる力が時計回りのモーメント、反時計回りのモーメントを足した力のことで剛体の回転作用における平衡は合力が0の時です。
回転作用もあるならば、並進作用も考えられます。
並進運動はどちらの方向への力、ベクトルが加わっているかを考えます。
例えば歩行の際に、前に進むのは膝関節が屈曲伸展を繰り返すからですが、並進運動の力は前に進む力です。その中に膝関節を支点に脛骨がモーメントを作り前へ進みます。
並進運動の力が0の場合は、並進運動が生じませんので、剛体は止まります。
この剛体の並進作用の平衡は全身の動きの状態を、回転作用の平衡は体の姿勢平衡の力学的基礎となります。
姿勢平衡のお話だと股関節が有名かもしれません。
股関節を支点に骨盤の左右のモーメントを中殿筋等で平衡にしていますが、あの合力が0じゃなくなるとトレンデレンブルグなどの骨盤の傾斜が出現してしまいます。
剛体の重心
先ほど平衡条件のお話をしましたが、剛体の平衡な状態のモーメントの支点はその剛体にとって重心と言えます。
重心の一点において剛体のバランスをとることができるから、剛体に働く重力はすべて重心に集中していると考えても良いです。
剛体のバランスの安定性
バランスは、
・重心が低いこと
・支持基底面が広いこと
が安定性が高いです。
バランスの安定性にもモーメントが深くかかわっています。
上の図は、重心の位置により倒れるかという図です。
重心が支持基底面内にあることで倒れずに済みます。
重心が高くなれば高くなるほどモーメントは強くなっていきます。
そのため、重心の位置が高くなると、重心が傾くと重心は支持基底面を簡単に超えてしまいます。
しかし、重心の位置が高くて傾倒しやすいといっても、悪いことばかりではありません。
ここでメトロノームを思い浮かばせてください。
重りを下のほうに設定すると、速い速度で動きます。反対に上のほうに設定するとゆっくり動きます。
このゆっくり動くということは、態勢を立て直す時間が重心が低いときより長いということになります。
高くなればなるほど、安定性と引き換えに距離も伸びるため、態勢を立て直しやすいというメリットもあります。
まとめ
ここまで物体が安定性するためのお話をしてきました。
動かすだけのモーメントの話だけではなく、止まるためのモーメントによって、倒れない安定性を高めることができることがわかりました。
歩行時の股関節は良い例で、歩行中期は片脚立位になりますので、股関節に重心を乗せたい。
しかし、よくあるのは骨盤が傾いていること。
これは、平衡にするための中殿筋によるモーメントが不十分により、重心が股関節より内側になってしまった、これをトレンデレンブルグ歩行といいます。
反対に中殿筋によるモーメントを体幹で補った場合、デュシェンヌ歩行になります。
このように、重心の位置、平衡、モーメントの話をすると、人間に限らず、地球上すべてに通ずる話になります。
この部分なくして人間のバランスは語れないと思いますので少しでもお役に立てればと思います！
最後まで読んでいただきありがとうございました。
では！
