College Of Engineering
서울공대 이야기

스포츠 공학이란 무엇인가

2004.07.22 11:02

lee496 조회 수:5751

 

스포츠 공학이란 무엇인가



이우일 

서울대학교 공과대학 기계항공공학부 교수


스포츠공학이란?


2002년 월드컵 우리 대표팀의 선전으로 스포츠에 대한 관심이 어느 때보다도 높아졌다. 그와 더불어 히딩크 신드롬이라 불릴만한 히딩크 특유의 리더쉽과 그의 조련 방법이 화제가 된 적이 있다. 히딩크식의 대표선수들 훈련과 선발 방식은 한마디로 숫자에 의거한 객관적이고 과학적인 방법이라는데 그 요체가 있다. 예를 들어 선수들의 체력을 강화하기 위하여 왕복달리기를 하는데, 각자의 심장 박동 수를 측정하여, 실제로 그 선수가 체력적인 극한에 달했는지를 평가하니 선수들도 꼼짝없이 엄살을 부리지 못하고 지시에 따를 수밖에 없었고 그 결과는 우리가 월드컵에서 본 대로이다. 스포츠는 흔히들 훈련과정이 합리성과 거리가 멀고, 시키는 대로 좀 무식하다 싶을 정도로 열심히 하면 되는 것으로 생각해왔다. 그러나 경기력을 보다 향상시키고, 부상의 위험을 줄이며 스포츠를 즐기기 위해서는 스포츠도 다른 분야와 마찬가지로 과학적이고 체계적인 방법을 도입해야 한다. 실제로 우리나라에서도 지난 1980년 스포츠과학연구원이 설립되었으며 현재 체육과학연구원으로 확대되어, 스포츠과학에 대하여 꾸준히 연구하여 오고 있고, 또 각 대학의 체육학과 및 체육교육학과에서도 스포츠과학이 연구 및 교육의 한 분야로 자리잡고 있다. 이러한 스포츠과학은 주로 운동생리학에 기반을 둔 체력 및 경기력 향상이 그 주류를 이루고 있으며 이러한 경향은 외국의 관련 학회에 게재되는 논문 내용을 보아도 마찬가지이다. 종목에 따라서 다르겠으나, 스포츠의 가장 핵심은 선수에 있다는 점을 생각할 때, 이러한 경향은 당연하다고 보인다.

그러나, 운동의 생리학적인 효과도 중요하지만, 일반인들이 스포츠를 보다 빨리 배우고 더 즐기기 위해서는 역학적인 고려 역시 중요하다. 더구나 기구와 관련된 운동이라면, 이러한 측면은 더욱 중요해진다. 즉 골프의 예를 든다면, 어떤 식으로 관절을 움직이는 것이 공을 더 멀리 보낼 수 있는지, 골프 클럽은 어떻게 설계하여야 하며, 골프 공의 딤플은 어떤 식으로 배열되어야 더 멀리 똑바로 날아갈 수 있을지 등에 대한 답은 공학적인 접근이 없이는 불가능하다. 또 테니스 라켓은 예전에는 나무로 만들었으나, 70년대부터 섬유강화복합재료가 개발되고부터는 모든 라켓이 복합재료로 만들어지고 있다. 이러한 새로운 재료는 라켓의 형상도 바꾸어 놓아 지금의 라켓은 예전의 나무라켓에 비해 면적이 2배에 달하며, 타격 면적도 커지고, 선수의 동작도 변화시켰으며, 테니스를 배우기 쉽게 만들어 놓았다. 그러나 한편으로는 파워가 더 커짐에 따라, 경기가 싱겁게 끝나는 단점도 생겼다. 이런 변화는 사이클의 경우에도 마찬가지여서, 그림1에서와 같이 자전거의 모양, 선수의 복장 등이 공학적인 고려에 의한 설계에 따라 획기적으로 바뀌게 되었다.

 

그림1. 사이클 경주 모습. 자전거는 뒷바퀴를 포함한 거의 모든 부품이 복합재료로 만들어졌으며, 유동저항을 극소화하기 위한 헬멧, 경기복 등이 특이하다.


이러한 문제들의 일부는 스포츠과학에서 다루어왔으며, 또 일부는 운동기구 제조회사에서 연구하여 왔으나, 그 근간이 되는 기초 분야는 같기 때문에 통합하여 연구하는 것이 필요하다. 스포츠 공학은 바로 이러한 문제들, 즉 스포츠 및 용구와 관련된 동작과 역학에 대한 문제들을 해결하기 위한 분야이다. 실제로, 지난 30여년간 공학기술이 스포츠용구의 성능을 향상시키기 위하여 응용되어왔으며, 실제로 스포츠가 배우기 쉽고 안전하여, 더 즐기기 쉽게 만드는데 일조하였다.


스포츠공학의 분야


스포츠공학에서 다루어지는 분야는 광범위하지만 대체로 다음과 같이 나눌 수 있다.


- Biomechanics

   Biomechanics에서는 각종 스포츠 동작에서 인체의 각 부위가 어떠한 힘을 받는가를 연구한다. 따라서 경기력 향상 및 부상 방지를 위한 적절한 자세 및 동작 등을 알 수 있다.

- Dynamic Analysis of Motion

  인체 동작의 동력학적인 특성 분석을 통하여, 골프, 스키 등 각종 스포츠에서 최적의 동작을 연구하며, 또 여러 스포츠용구의 동력학적인 특성을 연구한다.

- Fluid Mechanics of Motion and Sports Equipment

수영, 스키 점프 등 인체의 주위로 유동이 발생되는 스포츠에서 유체 유동을 해석함으로서 저항을 최소화하고 추력을 극대화시키는 동작을 알 수 있으며, 스포츠 공 등 스포츠용구의 유체공학적인 해석을 통한 최적 형상 설계를 가능하게 한다.

- Materials for Sports Equipment

여러 가지 신소재는 스포츠 용구의 혁신을 주도하여 왔다. 신발, 골프 클럽, 스키 등 스포츠 용구에 사용되는 소재를 연구하며, 다른 스포츠공학 분야에서 연구된 결과, 요구되는 소재의 특성을 충족시킬 수 있는 재료에 대하여 연구한다.

- Robotics

인체의 운동을 모사할 수 있는 기구를 만들어, 스포츠 용구의 시험에 이용하며, 여러 가지 가능한 동작을 로봇을 통하여 시험해 봄으로서, 최적의 동작과 교습 방법을 알 수 있다 또 장애인들도 스포츠를 즐길 수 있도록 하는 보조 장비를 설계 제작한다.

- Optimizaton

각종 동작과 스포츠용구 설계의 최적화 기법에 대하여 연구한다.

- Impact and Vibration

각종 스포츠 용구의 충격 및 진동 거동을 해석하여, 이 결과를 용구의 설계와 경기에 응용한다.

- Measurement Techniques

각종 동작의 분석을 위한 Motion Analysis, 기타 스포츠 및 그 용구에 대한 여러 가지 계측 방법에 대하여 연구한다.


이상의 분야 이외에도 다른 분야들도 있을 수 있으며, 앞으로 새로운 스포츠 종목의 탄생 및 용구의 발전에 따라 분야가 더 늘어날 수 있다.


스포츠공학의 전망


여가가 많아지고, 스포츠 인구가 급증함에 따라, 보는 스포츠에서 참여하고 즐기는 스포츠로 바뀌어가고 있다. 따라서 스포츠용구 시장은 급히 성장하는 추세이며, 시장을 선점하기 위해서는 스포츠에 대한 이해는 물론 여러 측면에서의 연구가 필요하다. 예를 들면, 현재 우리나라에는 수십 개의 골프 클럽 제조사가 있는 것으로 알려져 있으나, 대부분이 영세한 규모로 이들 업체들은 해외의 모델을 카피할 뿐 독자적인 모델의 개발은 엄두를 내지 못하고 있다. 국내의 폭발적인 골프인구의 증가로 막대한 외화가 골프클럽의 수입에 소요되고 있는데, 2001년에만 수입 7,474만불, 수출 236만불이며 막대한 양의 밀수품까지를 고려하면, 연 1억불을 훨씬 넘는 외화가 유출된다고 말할 수 있으며, 스포츠용구 전체를 보더라도 2001년에 수입이 2억7121만불, 수출이 9021만불로, 연 2억불에 가까운 무역적자를 기록하고 있으므로 국내에서의 스포츠 용구의 설계와 제조에 관한 연구는 상당한 관심의 대상이 될 수 있다. 그러나 골프 클럽을 비롯한 스포츠 용구는 브랜드의 힘이 유난히 강한 상품들이다. 그 만큼 진입장벽이 높다고 할 수 있다. 또 많은 용구들이 사치품으로, 경기력과는 별로 관계없이 구매되는 경우가 많다. 약간의 경기력 향상을 객관적으로 입증할 수만 있다면, 커다란 시장을 장악할 수 있음을 골프 클럽, 스키, 테니스 라켓 등에서 보아왔다. 이러한 스포츠 용구의 설계와 평가는 주로 대형 제조회사에서 연구하여 왔으나, 그 시장의 크기나 발전 속도로 볼 때 대학에서의 연구도 필요한 시점으로 판단된다. 스포츠 공학에 대한 각국의 관심도 최근 많이 높아져 1996년에 ISEA 라는 국제학회가 결성되어 2년에 한 번씩 International Conference of the Engineering of Sports를 개최하고 있다. 2002년에는 일본의 교토에서 개최되었는데 113편의 논문이 구두로 발표되었으며 36편의 논문이 포스터로 발표되었다. 참석자는 주로 유럽, 미국, 일본이 대부분이었으며, 기계공학을 중심으로, 재료공학, 전자공학 등 여러 분야의 전공이 망라되었다. 논문은 골프, 테니스, 스키 관련이 역시 많았고, 골프 용구 발전이 게임에 미친 영향에 대한 초청 강연과 전산유체역학의 스포츠에의 응용에 대한 초청 강연이 특히 흥미가 있었으며, 특히 월드컵과 관련하여 축구에 대한 논문들이 몇 편이 발표되었는데, 자국팀의 경기 내용을 비디오로 곁들여 발표한 점이 흥미가 있었다. 또, 골프 스윙 로봇을 이용한 최적의 스윙 폼 연구(그림2), 스키 로봇을 이용한 회전 메카니즘 연구(그림3) 등이 많은 사람들의 관심을 끌었는데, 학회의 분위기는 스포츠공학 이라는 주제에 걸맞게 다른 많은 학술회의의 경직된 분위기와는 달리 시종 여유있고 웃음이 끊이지 않았다는 점이 이채로웠다. 우리나라에서도 이제는 스포츠 공학에 대한 체계적인 접근이 필요한 시점이라고 생각되며, 서울대학교에서도 현재 정밀기계설계공동연구소에 스포츠공학 연구센터의 설립을 추진 중에 있다. 스포츠공학 연구회도 곧 결성될 것으로 보여, 조만간 스포츠공학 관련 연구가 활성화될 것으로 기대된다.

 

그림2. Golf Swing Machine  그림3. 일본 Kanazawa 대학교에서 개발한 Ski Robot의 활강 장면

                                         

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