'태권도 격파'의 역학적 원리 ①

1. 서론

태권도의 격파는 손이나 발, 팔꿈치 등의 인체의 일부를 이용하여 벽돌이나 기와, 송판과 같은 딱딱한 물체를 깨는 것이다. 이러한 격파는 원래 수련자가 자신의 능력을 시험해 보고 자신감을 얻기 위해 이루어진 것으로 볼 수 있으나, 태권도 경기가 일반화된 이후로는 주로 일반인에게 태권도의 기술과 위력을 보여주기 위한 시범 격파로 행해져 왔다. 최근에는 태권도 한마당 등의 경연대회가 개최되면서 격파에 대한 관심이 다시 고조되고 있다.

격파는 크게 1) 위력 격파와 2) 묘기 격파로 나누어 볼 수 있다. 묘기 격파는 격파 자체보다 다양한 동작과 기술의 발휘가 목적이며, 격파 물체도 얇은 송판을 주로 쓰고 있다. 반면에 위력 격파에서는 동작의 위력이 얼마나 센가를 시험하거나 보여주는 것이 목적이며, 벽돌이나 대리석, 기와 등을 깨는 것이 그 목표다.

그러나, 현재까지 나와 있는 태권도의 격파에 대한 이론들은 손의 단련 방법, 단련 용구의 제작 및 사용법, 격파 방법 등에 관한 내용이 주류를 이루고 있을 뿐이며, 격파와 관련된 역학적 원리나 방법을 기술한 자료는 미미한 실정이다(이 경명, 2000.3).

따라서, 본고에서는 전통적인 의미의 격파 기술인 위력 격파와 관련된 역학적인 원리를 규명하고, 격파를 잘하기 위해 고려해야 할 요점들에 대해 고찰해 보고자 한다.

2.. 역학적 개념과 원리

역학적인 관점에서 보면 격파는 인체와 격파 물체라는 두 물체간의 충돌이다. 충돌은 두 물체가 갑자기 접촉을 한 후, 매우 짧은 시간 동안에 상호간에 상당히 큰 힘을 가하여, 물체의 형태나 운동 상태 또는 형태와 운동상태 모두에 급격한 변화를 가져오는 것을 말한다.

격파를 할 때 격파물은 고정되어 있으므로, 격파가 되기 전 까지는 운동상태의 변화보다 형태가 변화가 힘의 주 효과가 된다. 격파물이 깨지는 것은 충돌할 때 인체가 격파물에 가한 힘에 의한 격파물의 변형에 의한 것이며, 이때 격파물도 인체에 같은 힘을 반작용력으로 가하게 된다.

이때 작용하는 힘은 벽돌이나 기와가 깨져나갈 만큼 크지만, 인체의 뼈는 그 격파물보다 더 강하기 때문에 격파물만 깨어지게 되는 것이다.

2.1. 힘

힘은 물체에 가속을 일으킬 수 있는 어떤 작용 또는 한 물체가 다른 물체에 미치는 효과라고 정의할 수 있다. 가해진 힘의 효과는 충분한 힘이 가해 졌을 때 힘을 받는 물체의 변형이나 운동 또는 변형과 운동의 두 가지가 함께 나타난다.

힘을 받았을 때 물체가 변형되거나 움직이는 정도는 가해진 힘과 힘을 받는 물체의 특성에 따라 틀려지게 되지만 물체에 가해지는 힘이 클수록 물체의 변형이나 움직임은 더 커지게 된다. 격파 물체가 깨지는 것은 물체에 가해진 힘에 의한 것이며 물체의 변형 한계를 벗어나는 큰 힘이 가해졌을 때 물체는 깨어지게 된다.

인체의 운동을 위한 직접적인 힘은 근육의 수축에서 얻어지며 근육의 수축에 의한 토크(torque; 가해진 힘의 회전 효과)가 팔이나 다리와 같은 인체분절을 회전시킴으로써 원하는 동작을 할 수 있게 된다.

근육이 내는 힘 즉, 근력(筋力)의 크기는 1) 근육의 생리적 횡단면적에 정비례하고, 2) 활동 근섬유가 수축하기에 앞서 길어지게 하는 속도 즉, 신장성 수축 속도에 영향을 받으며, 3) 근섬유가 수축하도록 허용되는 속도, 즉 단축성 수축의 속도가 커질수록 감소된다.

힘은 크기와 방향을 갖는 벡터(vector)3)이며, 힘을 결정하는 특성은 크기와 방향, 작용점이다. 따라서, 같은 크기의 힘을 쓰더라도 방향과 작용점이 틀리면 그 효과는 달라진다.

즉, 같은 크기의 힘으로 격파 물체를 때리더라도 힘을 가하는 방향이 잘못되거나, 때리는 위치가 적절하지 않으면 격파가 되지 않는다. 일반적으로 격파물을 때리는 위치는 격파물이 받쳐진 중간 부분이 되며, 격파물을 받치는 거리를 크게 할수록 격파는 더 용이해 진다.

힘을 가할 때 고려해야하는 다른 요인은 압력이다. 압력은 단위면적당의 힘 즉, 가해진 힘 / 힘이 가해진 면적이 압력인데 같은 힘을 가해도 압력에 따라 그 힘의 효과는 틀려진다. 일반적으로 벽돌은 주먹보다 손날로 격파를 한다.

그 이유는 손날이 주먹보다 힘이 가해지는 면적이 작아 격파물의 특정 부위에 집중적으로 힘을 가할 수 있기 때문이다. 끝이 무딘 송곳으로는 물체를 뚫기가 어려운 것과 같이 넓은 부위로 타격을 하면 물체를 깨기가 어렵다.

2.2. 운동량

태권도의 격파에서는 격파물이 고정되어 있으므로 사람의 손과 발이 빠르게 움직여서 고정된 물체와 충돌하는 상황이 된다. 이는 마치 망치나 손햄머로 벽돌이나 바위를 깨는 것과 같은 형태의 운동이다.

망치나 손햄머와 같은 물체를 휘둘러서 물체를 깨어 보면 같은 속도로 때리더라도 손햄머의 파괴력이 더 큰 것을 알 수 있다. 이는 망치보다 손햄머의 질량이 더 크기 때문이다. 또한 같은 도구를 쓸 때는 휘두르는 속도를 빨리 할수록 파괴력이 더 커지는 것을 알 수 있다.

따라서, 태권도 격파에 있어서도 어떠한 방법으로 가격하는 손이나 발의 질량을 크게 하고, 그 속도를 빠르게 할 수 있느냐가 관건이 되며, 이는 운동량이라는 역학량으로 결정된다.

운동량이 중요한 것은 움직이는 물체는 다른 물체와 충돌할 때 그 운동량에 비례해서 충돌하는 상대 물체에 힘을 가할 수 있기 때문이다. 즉, 운동량이 클수록 파괴력은 더 커지게 되는 것이다. 운동량(momentum)은 움직이는 물체의 질량(m)4)과 속도(v)를 곱한 양으로서, 기호 형태로는

p(운동량) = m(질량) * v(속도)

로 정의된다. 이 식은 질량이나 속도 중 어느 한쪽 또는 두 가지가 모두 커지면 운동량이 커짐을 보여준다. 따라서, 운동량을 크게 하기 위해서는 격파에 쓰여지는 질량을 크게 하고 동시에 그 속도를 빠르게 하면 되는 것이다.

이 원리는 체격이 크고 근육이 잘 발달된 사람이 그렇지 않은 사람보다 격파에 더 유리함을 뜻한다. 체격이 크면 격파에 쓰여지는 질량이 크고, 근력이 좋으면 빠른 속도를 내는데 유리하기 때문이다. 그러나, 체격이 크고 근력이 좋다는 것이 격파를 잘 할 수 있는 충분조건은 아니다. 그 이유는 가격하는 방법에 따라서 자신의 역량을 충분히 발휘할 수도 있고 못할 수도 있기 때문이다.

가격하는 질량을 크게 하기 위해서는 손이나 발만을 이용하는 것보다 가능한 다른 부위의 질량이 가격에 쓰여질 수 있도록 하는 동작이 필요하며, 이 원리는 보통 체중을 실어서 때려야 한다는 말로 표현되고 있다. 즉, 체격이 작더라도 체중을 실어서 때릴 수 있으면 격파에 필요한 충분한 질량을 만들 수가 있는 것이다.

인체의 움직임은 근육의 힘에 의한 것이므로 근력이 좋은 사람이 손이나 발의 속도를 빠르게 하는데 있어서 더 유리하지만, 근력이 크지 않더라도 온 몸의 근육을 효과적으로 이용하면 손이나 발의 속도를 충분히 빠르게 할 수 도 있다. 손이나 발의 속도를 빠르게 하는 방법에 대해서는 뒤에서 다시 논의하기로 한다.

2.3. 충격량과 충격력

충돌 시 물체가 깨지는 것은 이때 물체에 작용하는 힘 즉, 충격력 때문이므로 격파현상을 이해하기 위해서는 충격력을 알아낼 필요가 있다. 그러나 물체가 충돌할 때 작용하는 힘은 매우 짧은 순간에 급작스럽게 증가했다가 감소하므로, 그 최대값을 알아내기가 쉽지 않다.

따라서 그 차선책으로 충격량-운동량의 원리(impulse-momentum principle)를 이용하여 충돌 시 작용하는 평균력을 알아 볼 수 있다. 이 원리는 힘의 충격량은 그 힘이 만들어 내는 운동량의 변화와 같다는 것이다.

여기에서, 충격량은 유한한 짧은 시간 동안 작용하는 힘의 효과를 나타내는 것으로서, 가해진 힘의 평균값과 힘이 가해진 시간을 곱하여 구한다. 즉, 충격량은 충돌시 가해진 힘을 전부 합한 것(적분한 것)이다. 충격량-운동량의 원리를 식으로 나타내면

Ft = P2 - P1
평균력 * 충돌 시간 = 운동량의 변화

이 된다. 이 식에서 P2 - P1은 운동량의 새로운 값과 원래 값간의 차이로서 운동량의 변화 를 나타낸다. 이 식을 힘에 대해 정리하면,

F = (P2 - P1) / t
평균력 = 운동량의 변화 / 시간 간격

이 된다. 이 식은 평균력(순작용력)은 운동량의 변화율과 같음을 나타낸다. 이 식에 의하면 동일한 운동량의 변화가 있을 때 그 변화 시간 즉, 충돌 시간이 길어질수록 작용하는 평균력은 작아지며, 반대로 충돌 시간이 짧을수록 평균력은 더 커짐을 보여준다. 따라서, 물체를 깨기 위해서는 가격하는 부위와 물체의 충돌 시간이 가능한 짧아야 함을 알 수 있다.

충돌 시간을 짧게 하기 위해서는 충돌 순간에 타격에 관여하는 관절들이 굳건하게 고정되어야 한다. 그렇지 않으면 관절 부위의 완충 효과로 인해 충돌 시간이 길어지며, 가해지는 힘의 크기도 작아진다. 즉, 가격 순간에 손목이나 팔꿈치, 어깨 등의 관절을 굳건히 지지하지 않으면 충분한 힘을 격파 물체에 전달할 수가 없는 것이다.

주먹이나 팔꿈치 등은 뼈 위에 근육이 없으므로 가격할 때 충돌시간이 늘어나게 하는 완충 효과가 없는 반면, 손날 부분은 근육(소지 외전근)이 있어 완충효과가 생기게 된다. 따라서 손날의 제 5 중수골 부위를 단련하여 완충효과를 줄이기도 한다.

주먹을 단련하는 것은 주먹 관절(중수골과 근위 수지가 만드는 관절) 부분에 굳은살을 만들어 그 밑에 있는 건과 뼈를 보호하기 위한 것이다. 격파에 사용되는 신체부위는 적절히 단련을 하지 않으면 격파시에 손상을 입을 수 가 있다.

격파를 잘하기 위해서는 격파 물체를 딱딱한 곳에 놓아야 한다. 지면이나 콘크리트는 딱딱하기 때문에 충격을 흡수하는 완충효과가 없지만, 경기장에 깔려있는 매트와 같은 바닥은 완충 효과가 있으므로 충돌시간이 길어지게 하며, 따라서 충돌시 작용하는 힘을 약화시킨다.

격파물을 사람이 잡아주는 경우는 타격시 격파물이 밀리지 않도록 굳건하게 버텨줄 수 있어야 한다. 타격시에 격파물이 밀리면 접촉시간이 늘어나기 때문에 가해지는 힘의 크기가 줄어든다.

격파 물체를 깨는 대신 충격력을 측정하는 기계로서 격파 능력을 측정하려는 시도는 오래 전부터 계속되어 왔으며(김 일상(1976); 김 창완 (1998.6.1)), 현재도 계속 시도되고 있으나, 상대적인 단위가 아닌 힘의 단위로써 정확한 충격력을 측정해 내는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 그 이유는 측정기의 가격부위가 완충이 되면 인체가 가하는 충격력을 정확히 측정할 수가 없으며, 완충이 되지 않으면 가격하는 인체 부위가 손상되는 문제가 있기 때문이다.

2.4. 격파 물체의 특성

격파 물체의 특성은 깨어진다는 것이다. 탄성이 좋은 물체는 힘이 가해지면 변형이 되었다가 다시 원래의 상태로 복원되는 반면, 격파 물체들은 탄성이 없기 때문에 물체의 최대 휨 압력(ultimate bending stress)을 벗어나는 큰 힘이 가해졌을 때는 깨어져 버린다.

즉, 벽돌이나 기와, 얼음과 같이 탄성이 없는 딱딱한 물체는 최대 휨 압력 내의 힘에서는 미세한 변형이 일어나지만, 이 한계를 넘어 물체가 휘어질 만큼 큰 힘이 작용되면 바로 깨어져 버린다. 이때 그 물체가 깨어지게 하는 최소한의 힘의 크기를 역치(역値, threshold)라고 한다.

이 역치는 물체의 재질, 너비와 두께에 따라 달라지는데, 크기가 1 x 20 x 30 cm인 송판은 3111 Newton, 크기가 4 x 10 x 20 cm인 시멘트 벽돌(brick)은 3200 Newton이 역치가 된다(Waker J.D., 1975). 직경 2 cm, 길이 20 cm인 인체의 뼈는 측면으로 가해지는 힘에 대한 역치가 4710 Newton이나 되므로(Blum H., 1977), 송판이나 시멘트 벽돌보다 더 강하다.

뼈가 압축력에 견디는 정도는 더 강하다. 그러나, 물체가 깨어질 만큼 충분한 힘을 주지 못하거나, 때리는 부위가 부정확한 경우에는 물체로부터 받는 반작용에 의해 인체가 손상을 입을 수도 있다.

물체가 힘을 받아 휘어질 때 힘을 받는 부분은 압축력을 받아 쪼그라들며 그 반대쪽은 장력(tension)을 받아 펴지게 된다. 장력을 받아 펴지는 부분이 한계치를 넘어 펴지게 되면 균열이 생기게 되며, 균열은 즉시 위로 확장되어 물체가 깨어지게 된다. 송판의 경우는 이 밀려서 휘어지는 거리가 1 cm 정도, 벽돌은 0.06 cm, 앞에서 예로 들은 뼈의 경우는 0.5 cm가 되면 깨어진다(Blum H., (1977); 성낙준 역(2000)).

같은 크기의 힘이 가해졌을 때 그 힘이 물체에 주는 휨 압력(bending stress)은 힘이 가해지는 특성에 따라 달라지게 된다. 즉, 갑작스럽게 최대치까지 증가하는 힘은 서서히 가해지는 힘에 비해 약 2 배 정도의 휨 압력을 주게 된다. 따라서, 가격하는 손이나 발의 속도가 빠르고 질량이 클수록 물체는 더 잘 깨어지게 된다.

앞에서 언급한 충격량-운동량의 원리를 이용하여 주먹 지르기에서 주먹이 내는 힘을 계산해 보면 정상적인 지르기를 할 경우 송판이나 시멘트 벽돌은 충분히 격파가 됨을 알 수 있다. 즉, 주먹 지르기의 경우 주먹의 최대 속도는 약 7 m/s이며, 지르는 전체 길이의 70%∼80% 정도에서 나타난다(Waker J.D., 1975에서 재인용).

따라서, 체중이 70 kg인 사람이 주먹 지르기를 할 때 팔의 질량(7 kg)만 지르기에 가담한다고 해도 운동량은 49 kgm/s가 된다. 이 주먹이 격파 물체와 접촉하는 시간을 1/100 초로 잡으면6), 이때 작용하는 평균력은 4900 Newton(500 kg)이 된다. 실제 지르기에서는 몸이 앞으로 나가면서 체중이 실리기 때문에 이 힘은 더 커지게 되며, 앞에서 예로 들은 송판이나 시멘트 벽돌 2 장은 충분히 격파를 할 수 있다.

격파를 잘하기 위해서는 격파 물체의 특성을 잘 파악하고 있어야 한다. 송판의 경우는 결이 있어 결 방향으로는 잘 쪼개지지만, 결에 직각 방향으로는 잘 깨어지지 않는다. 또한 젖은 송판의 경우는 탄성이 있어 잘 깨어지지 않으므로 완전히 건조된 송판을 써야 한다.

격파용으로 쓰는 벽돌은 붉은 벽돌과 시멘트 벽돌인데 붉은 벽돌의 경우는 벽돌을 굽는 온도에 따라서 강도의 차이가 있다. 일반적으로 벽돌은 두 번을 구워내는데 초벌구이 벽돌은 정상적인 재벌구이 벽돌에 비해 강도가 크게 떨어진다.

시멘트 벽돌과 기와는 시멘트와 모래의 배합율, 성형 후에 물을 뿌려서 굳힌 횟수와 기간에 따라 강도가 크게 틀려진다. 송판과는 반대로 시멘트 제품은 마른 것 보다 젖어 있는 것이 강도가 약하다.

격파물을 여러 개 겹쳐 놓고 때리는 경우는 격파물이 붙어 있는 경우와 떨어져 있는 경우로 나눌 수가 있다. 기와 격파와 같이 격파물들이 떨어져 있는 경우는 한 장을 격파하는데 필요한 힘만 있으면 전부를 격파할 수 있다.

단, 이 경우는 한 장을 격파할 수 있는 힘을 계속해서 유지해야 한다(오진곤 역(1985); Walker J.D.(1975)). 그러나, 벽돌이나 송판과 같이 격파물들이 붙어 있는 경우는 한 장을 깰 때 보다 더 큰 힘이 필요하다.

*위 글에 대한 궁금하신 사항이나 태권도 역학에 대해 궁금하신 사항이 있는 분들은 의견쓰기란에 글을 올려주십시오. 여러분이 올려주신 글 하나 혹은 그 이상을 위 글의 저자이신 성낙준 교수님이 직접 골라 기사형식으로 답변해 드릴 것입니다.