by
Apr 11. 2024
Essay14. 회전(각)운동량 보존의 법칙
가속과 감속의 도미노(Domino)
The conservation of angular momentum
(회전운동량 보존의 법칙)
물리학은 이과생만?
그래. 이과생은 더 깊고 넓게 공부하겠지. 하지만, 지구에 발을 대고 움직이는 너의 모든 움직임을 이해하려면, 물리학의 기본개념 정도는 이해해야 너의 골프스윙이 산으로 가지 않아.
물리학은 자연현상을 이해하는 것을 목적으로 뉴턴의 운동법칙부터 상대성이론이나 양자역학까지 물체사이의 작용과 운동 그리고 에너지 변화 등을 규명해주고 있기 때문에 골프스윙에도 직접적인 원리가 되거든.
그래서, 좀 재미없더라도 위에서 말했듯이 골프스윙의 원리니까 느낌만이라도 기억해 주면 좋겠어.
음. 물리학의 근본개념이라 하면,
질량 보존, 운동량 보존, 에너지 보존이라고 할 수 있어. 오늘 내가 골프스윙의 가속과 감속 또는 1차, 2차 가속을 이야기하는 데 있어서 기본 원리가 되는 거야. 간단히 말해줄게.
지구는 물체를 수직으로 당기는 중력이 작용하며, 물체는 관성의 법칙에 지배를 받는다.질량 보존의 법칙?
어떤 화학반응의 전과 후 물질의 총질량은 같다는 말이야. 화학반응으로 원자의 배열은 달라져도 그 원자의 개수나 종류는 같기 때문이지.
에너지 보존의 법칙?
어떤 영역 내에서, 에너지의 양이 일정하게 유지되고, 에너지가 생성/파괴되지 않는다는 것인데, 물체의 위치와 형태로서 가지는 포텐셜에너지(=위치에너지, 탄성에너지)가 중력에 의해 가속되며 운동에너지로 형태는 변할 수 있어도 그 영역 내의 총에너지는 고정. 유지된다는 거야.
운동량 보존의 법칙?
운동의 2법칙에 따르면 힘은 질량 ×가속도 또는 운동량의 시간변화율로 나타나거든! 그니까 외부의 힘이 작용하지 않거나 총합력이 0이면 물체의 운동상태는 변하지 않고 관성을 유지되는 것이고, 이런 지구의 관성계에서 운동량의 총합은 항상 변하지 않고 보존된다는 의미야.
좀 어려워? 음! 뉴턴의 법칙은 들어봤지? 모든 물체는 힘을 가해줘야만 운동을 한다는 제1법칙(힘의 본성인 관성)과 또 그 물체에 작용하는 힘은 그 물체의 질량과 가속도의 곱에 비례한다는 운동의 제2법칙(힘의 크기), 그리고 물체에 작용하는 힘이 있으면 꼭 그 힘과 반대 방향(=반작용)의 힘이 존재한다는 제3법칙(힘의 성질)이잖아. 이 정도만 알고 있어도 좋아. 여기서 나오는 이야기니까
다시 돌아와서 일단,
운동량은 관성과 질량에 관한 직선 운동에서는 선운동량의 시간에 대한 변화가 힘(force)이었다면, 회전운동에서 각운동량의 원인은 돌림 힘(torque)이라고 외워줘.
물체는 힘을 가해줘야 움직이며, 그 물체에 작용하는 힘의 크기는 물체의 질량×속도에 비례하면서, 그 물체에 작용하는 힘이 있다면 반작용의 힘이 존재한다.회전운동량 보존의 법칙이 뭔데?
응. 먼저 각운동량(회전운동량)이라는 것은 회전하는 물체의 운동량을 말하거든! 위에서 얘기했듯이 물리학에서 운동량 보존의 법칙은 외부의 힘을 받아 움직이는 물체는 다른 힘이 가해지지 않는 한, 최초의 운동량은 보존된다는 거니까 그 운동의 가장 끝(말단)의 속도가 크게 증가해야 최초의 운동량이 보존되는 셈이겠지!
골프스윙은 우리 몸의 모든 관절을 축으로 하는 회전운동(=각운동)이니까 이 법칙의 지배는 받는 것이고, 그중 돌림 힘(토크)으로 만들어지는 이 회전운동량 보존의 법칙이 적용되겠지.
초고속카메라로 골프스윙을 분석해 보면, 클럽헤드와 팔의 움직임만 봐도 알 수 있어.
백스윙 탑에 도착한 손은 일시적으로 정지하여 순간속도가 0이 되는데, 이 손은 다시 다운으로 가속되고 중간지점에 최고속도에 도달하면서 손의 회전운동량은 클럽헤드에 전달되면 손의 회전운동량은 소멸되어 손의 속도는 감소되고, 회전운동량 보존의 법칙에 따라 클럽헤드의 속도는 더 빨라져서 최대속도로 임팩트를 하게 되는 거야.
이것을 구체적으로 보면, 관절을 축으로 연결된 몸통, 팔, 다리 같은 인체분절들과 클럽헤드가 이 회전량 보존의 법칙에 따라 서로 협력하여 순차적으로 속도를 만들어서 전체 운동량이 보존되게 하는 거지. 이해되지? 도미노처럼!
쉽게 돈100만원이 운동량 총량이고 돈을 쓸 곳이 1과 2의 통장 2개뿐이라면, 이 총량은 유지되어야니까 1이라는 통장이 0으로 비었다면, 2라는 통장에 100만원이 채워져 있어야 한다고 생각하면 느낌적인 느낌 있을 거야.
파워는 움직이는 거야 하하!
무슨 말이냐고? 내가 지면에 두 발을 지탱하는 골프는 지면의 힘(지면반력)을 끌어다가 회전(토크)을 만들어 헤드에 힘을 전달하는 스포츠라고 내가 테이크어웨이 13권법 등에서 얘기해 줬잖아?!
운동량은 순차적으로 이동하면서 가속과 감속을 이어간다.그래서 발과 다리. 엉덩이. 몸통. 팔. 클럽헤드가 순차적이지만 거의 동시에 백으로 회전하게 되는데, 다운스윙 시 발과 다리는 최고속도에 이를 때 엉덩이에 운동량을 전달하고 속도가 감속되고, 이를 받은 엉덩이도 최고 속도에 이르고 몸통에 운동량을 전달하고 감속하는 연쇄적인 반응을 하게 된다는 거야. 결국 몸의 최대가속(1차 가속)은 그 운동량을 클럽헤드에 전달하고 감속에 들어가고, 모든 분절의 끝인 클럽헤드(2차 가속)는 가장 빠른 속도로 임팩을 하게 되는 시스템이 골프스윙이야. 운동량이 같아야니까 클럽헤드까지 운동량이 전달되기까지 속도는 증가하는 것이고!
임팩구간에서는 팔이 아니라 클럽헤드가 빨라야 하는 거지. 그래서 클럽스피드와 볼스피드를 체크하잖아. 다시 말해서 임팩순간 팔은 오히려 정지해야 하는 것이라고 생각해도 무리가 없고, 이것이 사람이 움직이는 원리야.
이 원리 때문에, 우리가 그렇게 강조하는 Late hitting이 의도적으로 만드는 것이 아니라 순차적인 회전만 하면 자동으로 된다는 결론에 다다르는 거야.
뿐만 아니라 골프는 창던지기 스포츠처럼 던지기 스포츠가 되는 거지. 학문적으로 골프스윙은 엄연히 던지는 스포츠야. 심지어 볼을 차는 축구도 던지기 스포츠로 분류한다면 믿겠니? 그니까 스포츠는 상식이 아니고 뭐다? 과학적 감각이야.
창던지기를 보면, 던지는 순간 몸은 감속하여, 창에 에너지가 전달된다. 이것이 각운동량 보존의 원리다.※절대주의사항
여기서 어깨와 허리를 회전의 영역에서 뺀 이유가 있어! 인체는 관절(joint)을 중심으로 움직이기 때문에, 어깨와 허리는 회전하지 않고, 다른 부위의 회전의 결과로 일부 비틀어지기 때문이야. 허리를 회전하라! 어깨를 회전하라! 는 생각(의도, 뇌명령)은 우리의 몸을 이해하지 못해서 나오는 잘못된 말로써, 이러한 의도를 가지면 스윙의 중심을 벗어나거나 안정성이 흐트러져 스윙 결과가 좋지 않을 뿐만 아니라 허리통증(LBP)에 시달릴 수 있으니까 가르치는 프로들도 삼가야 돼. 가슴(흉곽)의 회전과 골반의 회전인거지. 참고로 흉곽(흉추, 가슴)의 회전은 척추 12번(흉추의 가장 아래. 요추 바로 위)까지라서 흉추와 골반의 분리되는 것으로 이해하면 되고, 이 흉곽회전만으로 회전이 부족하니까 추가적으로 골반을 회전해주는 거야.
골프는 던지기 스포츠 맞아?
응 맞아. SNS나 방송에서 '던져야 한다' '던지면 안 된다' 의견이 분분하지만 골프스윙은 기본적으로 클럽헤드를 볼에 던지는 스포츠야. 내 몸을 중심으로 얘기하면 던지는 것이고, 클럽헤드 입장에서 던져지는 것이라 할 수도 있는데, 가만히 있는 클럽과 클럽헤드에 힘과 토크를 만들어 운동량을 전달하는 주체가 사람이므로 던지는 운동이라고 분류하는 거야.
던지기 유형의 가장 확실한 스포츠는 야구의 피칭이다. 오버 암, 사이드 암, 언더 암 모두 볼 수 있으며, 골프는 언더 암 유형이다.물론 학자들이 과학적 근거를 가지고 잘 분류해 뒀어!
던지기 동작에는 Under arm, Side arm, Over arm, kiking 4가지 유형이 있어. 야구에서 투수들의 볼 던지는 동작을 보면 알 수 있어. 핵잠수함이라는 별명을 가진 메이저리거 김병현 전 투수의 유형이 바로 Under arm 유형으로 골프스윙의 기본 유형으로 분류돼. 볼링도 그렇지. 축구는 던지기 유형 중 kiking 유형이 되겠지. 물론 아주 작은 스윙이나 특정상 화에서는 클럽헤드로 볼을 충돌시키는 방법을 응용할 수는 있지.
축구도 키킹이라는 던지기 유형으로 하나로 분류된다. 좀! 어려운 말인데 인체의 운동역학 학자들이 던지기 동작으로 분류하는 근거는 Open kinetic link system과 Chain reaction of sequential segment movement 즉, 개방적 역학 연계와 인체의 순차적 연쇄반응으로 나는 이해하고 있어.
쉽게 이야기하면,
던지기 동작에서 발은 지면과 붙어있고, 인체의 끝부분에 해당하는 손(손으로 잡고 있는 도구 포함)은 공간에서 개방적(=자유롭게 움직이는) 구조이며, 지구에 붙어 있는 발이 힘을 받아서, 서로 관절로 연결된 인체 즉, 다리. 엉덩이. 몸통. 어깨. 팔. 손. 잡고 있는 도구로 전달하는(=역학연계) 시스템을 가지고 있다는 의미야. 동시에 우리의 궁극적 목적 중에 하나인 인체 또는 잡고 있는 도구(예: 클럽헤드. 창) 말단에서 최고 속도를 얻기 위해서는, 인체분절이 순서에 따라 연쇄적으로 가동(=반응)되어야 하는 것이고.
골프스윙은 온몸의 근육을 순차적으로 사용하여 클럽헤드에 운동에너지를 전달하는 완성도를 높이기 가장 어려운 스포츠다.그니까 어쩌라고?
결국 골프스윙은 우리 몸의 모든 관절의 회전의 총합이라고 할 수 있고, 임팩트 순간의 클럽헤드의 스피드를 극대화해야 볼스피드를 늘려 큰 비거리를 낼 수 있는 거야.
P(운동량)=m(질량) × v(속도)
다시 말해서, 골프스윙에서 클럽헤드와 볼의 질량은 같으니까 볼에 전해지는 운동량은 속도(헤드스피드)에 의해 결정되게 되겠지.
*이는 고전역학적 측면이고, 좀 더 복잡한 상대성역학(사차원운동량)과 양자역학(불확정성의 원리)의 현대물리학적 측면도 있어.
어떤 질문이 생기겠어? 바로 헤드스피드를 증가시키려는 어떻게 해야 하는가이고, 그 기본적인 답이 회전운동량 보존의 법칙에 따라, 가장 말단에 해당하는 클럽헤드에 운동량을 몰아주는 방법으로 가속해야 하는 거지.
손이 아니라 클럽헤드 스피드를 극대화 하는 방법을 찾는 과정이 골프스윙의 임팩트다.알았어! 가속은 언제 해?
응. 다행히 우리 인체를 보면 몸통이나 엉덩이 등 보다 손. 발이 가벼운 구조잖아. 그래서 몸의 중심에서 멀리 있는 신체부위를 빠르게 움직일 수 있겠지. 그래서 프록시말 투 디스탈 시퀀스(Proximal to Distal sequence) 즉, 몸의 중심에서 가까운 신체기관에서 먼 신체기관으로 순차적으로 서로 협력하는 움직임이 필요하고, 클럽도 내게 최적화된 것을 선택해야 되는 거야.
골프스윙의 임팩트는 우리의 손이 아니라 클럽헤드가 하잖아! 그리고 왼 어깨와 왼 손목을 기준으로 왼팔과 클럽이 코킹과 힌징으로 꺾인 2개의 레베를 형성해서 이중진자운동을 한다고 들어봤을 거야. 핵심은 손의 속도를 내기 위한 것이 아니라 클럽헤드에 총운동량을 몰아줘서 스피드가 가장 빠르게 던져줘야 한다는 거야.
그래서,
다운스윙 시 가속의 시작은 지면을 밟고 회전하는 트랜지션(전환)부터 이미 연계된다고 보면 맞아. 백스윙 탑에서 아주 잠시 클럽헤드의 운동량이 0이 되니까, 그 이후는 1차 가속이 시작되는 거야. 그 가속의 동력은 몸에서 떨어진 손이 아니라 몸의 중심에 가까운 골반(허리 아님)의 운동량으로 팔이 아래로 내려오는 운동을 하고, 이것이 최대에 이르렀을 때(보통, 샤프트가 지면과 수평에 가까워지기 직전(=slot, free swing) 클럽헤드에 운동량을 전달하여 클럽헤드가 2차 가속으로 임팩트에 이르는 것으로 이해하는 것이 이상적이야.
골프스윙은 과학과 나노 기술의 집약이다.위 과정에서 클럽헤드가 원심력에 의해 코킹이 풀리기 시작하는 시점에 따라 스피드가 달라질 수 있겠지.(레버리지효과). 임팩시점에는 선수들의 경우, 골반의 회전을 감속하여 상체와 팔로 에너지를 보내는 능력이 탁월한 거지.
여기에는 신경의 전달속도와 뇌의 의도와 그에 대한 반응속도가 보통 0.2초가 넘고, 사람마다 차이가 있는 점과 백스윙 탑에서 임팩트까지 아주 빠르게는 0.1초, 느리게는 0.3초 전후, 보통 0.2~0.3초 전후를 감안해도 아마추어 골퍼일수록, 힘이 부족한 골퍼일수록, 가동성이 부족한 골퍼일수록, 신경전달속도가 느린 골퍼일수록 일찍 가속을 위해 힘을 쓸 수밖에 없다는 점을 잊지 않아야 해.
골프스윙 훈련은 헤드스피드와 볼스피드를 중심으로 여러 데이터를 확인하는 것이 필수적인 이유다.※참고
동일한 헤드스피드 라 해도, 볼에 충돌되는 헤드의 부위와 볼에 진입하는 경로(head path)와 헤드의 각도(attack angle) 및 헤드의 로프트(Dynamic loft) 등에 따라 비거리는 달라지는 점도 알아둬. 나중에 다 알려줄 거야.
초보인 내가 대비할 연습법을 줘봐!
알았어. 쉬운 것으로 두 가지를 알려줄게.
1. 로리드릴(스플릿 드릴)
가속과 감속의 운동감각을 소뇌에 저장시킬 수 있는데, 로리 맥일로이 선수가 자주 해서 유명한 드릴이야.
양 손을 양 허벅지 넓이로 클럽을 수평으로 잡고 셋업을 취한다.사진처럼 두 손을 분리하고 클럽헤드의 토우가 하늘로 향하면서 몸의 정렬과 평행으로 내려 잡고, 가슴과 골반의 회전으로 백스윙 탑에 갔다가 왼발을 밟아주면서 원위치로 힘차게 와서 셋업처럼 정지해 주는 거야.
※드라이버로 연습하면 샤프트 부러질 수 있으니까, 아이언이나 골프스틱을 구매해서 하는 게 좋아.
2. 스탑 앤 고 드릴
회전운동량 보존의 법칙에 따라 다운스윙을 인체의 사용을 순서(시퀀스)에 따라 할 수 있는 연습이야.
백스윙 탑에서 왼발 뒷꿈치를 약간 들어주는 것도 좋다.