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Apr 25. 2024
Essay 16. 그라운드 리액션 포스(GRF)
힘은 움직이는 거야
지면반력이란 말이 많이 사용되던데?
응. 골프스윙에서 가해지는 힘의 세 방향은 좌우, 위아래, 앞뒤 중에서, 주로 위아래의 수직의 힘(수직항력)을 이용해서 꼬임을 빠르게 풀어내는 데 사용하는 힘이 지면반력이야.
*물건이나 인체가 지면에 가하는 힘의 방향은 3가지야!
1) 좌우 2) 위아래 3) 앞뒤
힘의 3방향따라서, 지면반력(GRF: ground reaction force)이란?
뉴턴의 제3법칙인 작용과 반작용의 법칙에 따라, 네가 지면에 사용한 힘만큼 다시 너에게 전달되는 것! 즉 지면 위에서 중력이나 너의 신체 내의 힘(내력)이 지면을 향해 Action 하면 그와 크기가 같고 방향이 반대인 힘이 지면으로부터 너의 신체에 작용되는 힘을 말해.
그니까, 네가 지면에 힘을 쓰는 만큼 비거리가 증가할 수 있어서, 지면반력이란 역학적 용어가 자주 사용되는 거야.
그 힘은 어떻게 알 수 있어?
응. 눈으로 보이지는 않아서 GSI 같은 지면반력분석장치 등이 이용되고 있어. 선수들은 지면반력 분석으로 힘의 양이나 체중이동, 힘을 쓰는 타이밍 등을 파악해서 스윙에 적용하고 있어.
예:(주)visol 지면반력측정기사실 네가 가만히 서있어도 지면반력은 항상 작용하고 있는데, 이 GRF는 골프스윙에서 중요한 회전력(Torque, Moment)에 기여해서 비거리를 증가 시 기는데 일조하지. 즉, 지면을 눌러주며 받는 힘을 통해 회전스피드를 늘리는 거야.
여기서 네가 알 수 있는 가장 쉬운 방법과 느낌은 압력이동과 체중이동을 통해서야. 뭐가 중요하겠어?
바로 발이야. 네가 스윙시 얻는 힘의 원천이라고 Essay15에서 얘기해 줬잖아. 회전운동량 보존의 법칙에 따라 그 힘을 클럽헤드에 전달해서 헤드스피드를 증가시키는 것! lag는 손으로 하는 것이 아니라 하체의 움직임으로 자동으로 뒤따르게 하는 것이라고! 기억나지?
조금 상급으로 말하면, 토크 즉 회전력을 잘 발생시키려면 이 발을 사용하는 방향은 시계방향으로 써야겠지(다운스윙 시 시계반대방향으로 회전해야 하니까)
발? 좀 더 얘기해 봐!
발! 정확히는 발바닥이야. 발바닥에 세 꼭짓점인 뒤꿈치. 엄지발가락. 새끼발가락의 체중 분배에 따른 압력과 발바닥 아치(력)에 의해지면 반력을 강하게 사용할 수 있는 기본 조건이 돼.
발을 통해 힘을 얻는다.(출처. pexels)우리 발바닥은 어때? 살면서 혹은 태생적으로 균형이 맞지 않을 수 있잖아! 그니까 앞뒤 체중의 분배나 골반의 경사(전방. 후방. 중립), 아치의 형태 등을 체형을 검토해서 고유수용감각의 재활적 접근을 하거나 이를 감안한 준비 자세와 스윙방법의 변화가 필요한 거야. 참고로 체중의 60~70%는 뒤꿈치에, 20%대는 엄지발가락, 10%대 새끼발가래에 분산되어 압력을 받고 있는데, 스윙 중에 그 압력의 위치와 양이 달라지게 되지(압력이동, COP)
발바닦의 균형이 중요한 만큼, 이를 보완해줄 수 있는 것이 신발, 즉 골프화다. 그래서, 골프화는 기능성 장비가 되어야 한다.역학(Mechanics)이란 뭘까?
물체가 가만히 있다가 힘을 받거나 위치가 변할 때 나타나는 움직임과 그 영향을 연구하는 학문으로 보면 될 거야.
크게 정역학(Statics)과 동역학(Dynamics)으로 나뉘거든. 정역학은 정적인 평형상태에 놓인(=가속도가 없는) 물리계에 작용하는 힘(force)과 토크(torque)를 분석하고, 동역학은 이 힘과 토크가 운동에 어떤 영향을 미치는지 연구하는 학문이야. 운동학(kinetics), 운동역학(kinemetics)이라는 단어가 여기서 나오는 거야. 이 정도로만 알아둬
지면반력은 어떻게 쓰이고 있어?
응. 지면반력은 계속 존재하지만, 백스윙을 시작할 때부터 상체와 팔을 움직이기 위해서는 발에 가해지는 압력이나 힘의 버팀과 변화가 필요하니까 힘의 방향이나 세기가 계속 변하겠지! 이 지면반력은 백스윙 때 압력이동이나 아크를 키우는데 도움을 줄 거야.
지면반력이 가장 센 지점은 임팩트가 아니라, 다운스윙 과정에서 나타나게 돼. 골퍼마다 Lag의 최저점이 조금씩 다르지만! 아무래도 체중이동이 잘 되어야 하니까 성인으로 갈수록 약간의 오픈스탠스가 지면반력을 강하게 사용될 가능성이 더 있어 보여. 선수들의 스탠스에서도 많이 볼 수 있고, 나도 오픈스탠스 일 때 헤드스피드가 조금 더 나오고 있어.
지면반력을 사용능력 향상을 위한 연습법?
지면반력은 골퍼의 수준과 상관없이 사용되어야 할 힘이지만, 하체를 활발히 사용해야 하는 부담과 필드의 경사면의 제한 등으로 초보골퍼에겐 부담스러운 것도 사실이야.
장타대회 선수들의 스윙과정을 보면 대단히 역동적이고 크고 많은 움직임으로 지면반력을 얻어내는 것을 볼 수 있는데, 필드게임에서는 필요에 따라 적정한(균형을 잃지 않을 정도의) 정도만 요구되는 거지.
월드롱드라이브챔피언쉽 챔피언 카일버크셔의 다운스윙이다.(출처. 카일버크셔 인스타그램)그래서, 맨몸으로 하는 체중이동 훈련이나 지면반력 연습기 등을 활용한 연습이 가능하니까 수준별로 업그레이드하면 될 거야.
1) 기본적으로, 지면을 어떻게 밟고 서야 하는지가 1차적인 체크가 되어야 해. 골퍼의 체형과 해부학적 기능과 특징에 따라 양 발을 넓이를 정하고, 양발의 체중분배를 정하는 것이 필요해.
그리고, 2) 엉덩이의 타깃을 향한 움직임과 발바닥의 압력의 변화를 통해 지면반력을 만들어 내는 자신만의 레벨에 따른 연습을 하는 거야
일반적으로 스탠스를 좁게 서서 백스윙을 하고, 다운스윙 전 왼발을 타깃 쪽으로 밟고, 다운스윙하는 훈련이 기본이 되고 있어. 맨몸, 클럽, 보조도구 등을 다양한 연습 구성으로 운동감각을 저장시켜야 해.
1)양발을 모으고 셋업하고, 백스윙 탑에 갔다가
2)왼발을 타겟쪽으로 밟으면서, 스윙한다.※별첨(알려주고픈 P.S)
지면반력을 이해하려면 중력과 중력가속도를 같이 이해하기를 바라는 마음이야.
그래서 내가 쓴 기술칼럼 중에
'공수특전사의 강하를 통해 본 역학과 골프스윙' 자료를 줄 테니 꼭 읽어봐 줘. 기술칼럼이라 역학 지식이 없으면 어렵겠지만 몇 번 읽어보면 대부분 이해될 거야.
*사전지식*
공수특전부대원의 점프는 CH47(치누크, ㄷ자로 된 수송헬기)를 이용할 경우 꼬리문으로 강하하는데, 보통 15명 내외로 점프합니다. 80명 정도 태우고 점프하는 C130에 비하면 무지 깨끗하고 그나마 조용한 편입니다.
Ch-47 군수송기 (출처.네이버)중력과 중력가속도
골프에서 중력가속도는 그 영향력이 60%에 이를 정도로 중요한 요소입니다. 그래서,
중력(중력힘, gravity force)은 무게가 있는 물체사이에 작용하는 만유인력과 지구의 자전에 의한 원심력을 합한 수직방향의 힘을 말합니다.
중력은 수직방향으로만 작용하는 힘이다.중력가속도(g)는 어떤 물체가 지구로 떨어질 때 만들어진 가속도로 물체의 크기와 질량에 상관없이 평균 9.8m/s²로 일정함(지구가 완전 원이 아닌 점으로 조금 다름)!
즉 공기저항 등 변수가 동일한 환경에서는 무게가 달라도 특정의 힘을 가하지 않는 자유낙하 시, 지면에 동시에 도달하는 것이다. 중력이 물체의 질량에 따라 다르게 작용하기 때문이죠!(무거운 물체에는 중력이 강. 가벼운 물체는 중력이 약하게)
다시 말해서, 바람이나 공기저항(마찰력) 등의 변수에 따라 실제 지표면에 도달하는 시간에 차이가 발생하는 것이지, 중력가속도는 일정하다는 것입니다.
뉴턴은 뉴턴의 제2법칙인 가속도의 법칙이 동역할의 물리법칙을 지배한다고 했는데, 가속도의 법칙은,
Force=m(질량) ×a(가속도)를 기본으로 적용하면,
F=G•M•m/R²=m(질량)•g(중력가속도) 니까,
중력가속도는 g =G•M/R²가 된다.
※G(중력상수)
M(지구질량)
m(물체의 질량)
R(지구의반지름)
참고로, 무중력은 중력가속도가 순간적으로 0이 되어, 중력의 영향이 없는 상태인데, 수송기 CH-47치누크 꼬리문으로 낙하할 때, 아주 잠시 느낄 수도 있습니다.
위, 중력가속도 이론에 의하면, 시간차를 두고 공수부대원이 점프를 하기 때문에, 특전사(우리나라는 공수부대와 특수전부대를 통합운영하므로 공수특전단이라 부름)들이 낙하산이 서로 부딪치지 않고 지상에 접지를 하는 것이죠.
고공강하 중 자유낙하 (출처. Pexels)물론 낙하산을 산개하는 타임과 공기저항 및 테크라인의 조정실력에 따라 서로 부딪치는 사고도 발생합니다. (실제로 부딪치면 낙하산줄이 서로 꼬이기 쉽기 때문에 매우 위험해집니다)
Ch47 외, C130이나 C123수송기는 옆문에서 점프하는데, 처음에는 비행기의 빠른 속도에 따른 관성으로 옆으로 조금 끌려가듯 하고, 다시 중력가속으로 낙하하면서 지면과 착지를 하게 되는데, 바로 골프의 다운스윙 시 발생하는 중력가속도와 회전력을 만들어내는 수직항력과 운동마찰력의 관계를 비교조명할 수 있겠습니다.
군수송기 (출처. Pexels)역학의 재미를 조금 더 들어가 보면, 낙하하는 공수부대원의 속력은 무한정 증가하진 않는데, 이유는 공기의 마찰력이 속력에 따라 증가하고, 또 무거운 물체는 속력의 제곱에, 가벼운 물체는 속력에 비례하여 마찰력이 커집니다. 따라서, 낙하하면서 점점 강해진 마찰력이 중력과 같아지면, 이때부터 계속 가속되지 않고 같은 속도로 낙하하는데 이를 종단속도라고 합니다.
이 때문에 공수부대원(특전사)은 최대 시속 300km를 낼 수 있는 자유낙하를 자신의 몸을 펼치거나(시속 180km 전후 줄어듬) 낙하산을 펴고(시속 30km 정도로 줄어듬), 테크라인을 이용해 공기저항을 최소화해서 사뿐히 착지하는 것입니다.
빗방울도 초기에는 초당 200m 속도인데, 공기저항으로 지상에는 초당 50m 전후의 속도라서 비를 맞아도 다치지 않는 이유가 되는 것이죠.
이 공기저항은 부피나 모양에 따라 달라지니까, 골프에서 다운스윙 시 클럽의 부피. 모양. 팔의 부피. 모양 등이 저항을 만들기 때문에, 볼에 부딪치는 충격량은 늘리되, 클럽의 모양. 부피가 공기저항을 줄여 최고 속도로 도달하도록 골프클럽이 설계되어야 하는 것입니다.
기본적인 골프역학으로는, 위치에너지 위주로 있는 백스윙 탑에서 다운스윙하면서 위치에너지는 낮아지되, 운동에너지가 증가하는 에너지의 전환으로 속력이 증가, 또 지면에 도달할 때 운동에너지가 최대가 되는 것인데, 굳이 공기저항을 감안한다면, 0.3초 정도의 매우 빠른 다운스윙이므로, 클럽 표면에 공기의 점성으로 생기는 마찰저항은 무시할 수 있다고 보며, 표면에 수직으로 발생하는 압력에 대한 압력저항(속도의 제곱에 비례)만 고려하면 되겠습니다.
지면반력과 모멘트. 토크. 관성모멘트
그리고, 질량(무게)은 중력가속도에 영향을 주지 않고, 충돌 시 충격량에 영향을 주는 점과 골프공과 클럽헤드의 충돌 시 탄성과 마찰력은 정타율과 관련된다고 봅니다.
따라서, 중력가속도가 질량과 상관없다는 전제는 다운스윙의 0.3초 수준의 짧은 구간에서는 공기저항의 마찰저항과 압력저항의 관계를 감안하여, 다운스윙 초기에 가속을 시작하는 힘이 작용해야 한다는 귀결과 함께, 이 정의만 지킨다면 가속도도 중요하지만, 볼에 부딪치는 클럽의 각도(어택앵글. 다이내믹로프트. 페이스앵글)와 피봇타입(회전축 및 클럽패스)이나 충격량(탄성. 압착력)이 속도와 동급의 중요도로 비거리에 작용할 것으로 보는 근거가 되겠습니다.
운동마찰력(미끄럼마찰력으로 정지마찰력과 대별됨)은 크기나 상대속도가 아닌 수직항력(접촉면을 수직으로 누르는 힘)에 비례한다. 바로 우리 사람의 지면반력
(GRF)을 즉, 위 수직(항)력에 의해 상쇄되어 우리가 지면에 서있을 수 있게 되는 힘을 가능한 많이 이용하는 것이 축을 중심으로 토크(회전력)를 강하게 할 수 있는 것이죠.
조금 더 언급하면, 지면반력은 우리가 지면을 수직으로 누르는 힘에 의해 수직 위로 발생하는 수직력(vertical forces, 수평력의 전제조건)과 좌우 및 발의 토힐 압력의 이동으로 만들어지는 수평력(horizontal forces)의 합을 말하는 것인데, 이 힘을 사람마다 다양하게 이용하여 강한 회전력(토크, torque)을 만들어 내는 것입니다. 물론 사람은 골프스윙 시 원하든 원하지 않든 GRF를 이용하고 있어요. 체중보다 더 이용하는가 반대인가의 효율!
조금만 더하면, 사람마다 차이가 있으나 이 수직력은 임팩트 전 최대, 임팩 직후 최저를 보이고, 수평력은 좌우로 이동하되, 백스윙 탑에서 힐 또는 평행, 다운 시 임팩직전까지 토우, 임팩직전부터 힐비중이 커지게 되며, 토크는 다운스윙 중반정도까지 최대를 이루었다가 임팩시 0이 되는 것으로 이해하고 있습니다. 이 GRF의 효율적 사용여부를 체크하는 force factor(회전력을, 지면을 누르는 무게로 나눈 값) 값이 높아야 몸무게 대비 지면반력을 잘 사용했다고 할 수 있습니다.
이를 위해 우리 몸의 가동성이 전제되며, 비거리뿐만 아니라 부상예방에도 중요한 전제가 된다고 볼 수 있습니다. 따라서 골프소마틱스 적인 트레이닝이 동반되어야 역학적인 동작을 더 잘 해낼 수 있겠습니다.
참고로, 경사면 스윙시, 중력과 수직항력이 달라지기 때문에 스윙도 차별화되어야 합니다.
이론적으로 구분할 것은, 수직항력(F)과 무게(W)는 차이가 있다는 것이죠. 무게는 물체가 수직의 아래로 받는 중력의 크기지만, 수직항력은 표면에서 물체에 수직의 위로 작용하는 접촉의 힘이라고 할 수 있는 바, 저울은 정확히 말하면 수직항력의 측정이지, 무게측정이 아닙니다. 정지된 특정한 상황에서 무게와 수직항력이 같기 때문에 무게로 오해할 수 있는 것인데, 수직방향으로 힘(작용점. 방향. 크기)이 작용하면, 그 물체의 운동상태에 따라 수직항력은 달라지게 되는 것입니다.
정지된 특정한 상황에서 몸무게와 수직항력이 같다고 해서 무게를 곧 수직항력이라고 볼 수는 없다.