대부분의 과학자들은 앉아있는 시간이 많다. 특히 이론물리학자나 수학자의 경우 대체로 몸보다는 뇌를 더 많이 움직인다. 이론물리학자인 필자의 뱃살도 날마다 늘어가는 느낌이다. 2002년 개봉한 미국 수학자 존 내시의 삶을 다룬 영화 ‘뷰티풀 마인드’를 보고 그의 천재성과 고뇌보다 배우의 체형을 보고 뭔지 모를 위화감을 느꼈던 일이 떠오른다. 실제로 그는 천재 수학자였고, 분명 수학 연구에 온통 몰두했을 텐데 매우 마른 체형이었다(내시는 2015년 작고했다). 그런데 그를 연기한 배우 러셀 크로는, 이게 웬걸, 다부진 근육질의 ‘글래디에이터(검투사)’ 몸매를 자랑했다. 물리학적으로 최소한의 움직임으로 많은 에너지를 쓰는 방법은 없을까. 엉뚱한 상상을 해봤다.
우리 몸은 날마다 움직인다. 모든 움직임은 사실 운동이라고 할 수 있다. 운동이란 아이작 뉴턴의 운동 방정식의 관점에서 보면 몸에서 나오는 힘의 변화와 같다. 몸의 내외부에서 발생한 힘이 운동의 상태를 바꾸게 된다는 얘기다.
책상에 앉아있는 필자의 신체에 작용하는 힘은 너무 다양해서 모두 적을 수 없을 정도로 많다. 하지만 가장 중요한 힘은 고를 수 있다. 바로 허리 위치에 있는 몸의 질량중심에서 작용하는 중력이다. 그리고 지금 앉아있는 의자는 중력을 상쇄시키는 쪽으로 몸에 수직 항력*을 제공한다.
만약에 우리 몸이, 하나의 강체*였다면, 이것만으로도 충분했을지 모른다. 왜냐하면 강체일 경우, 병진운동(평행 이동으로 움직이는 운동)과 회전운동(회전축을 중심으로 일정한 거리를 두고 도는 운동)의 조합만으로 몸 전체를 간단히 기술할 수 있을 것이기 때문이다.
하지만 물리학자로서는
불행하게도 우리 몸은 하나의 강체가 아니다. 몸의 각 부위는 독립적으로 제각각 움직인다. 그래서 몸의 움직임을 동역학적으로
기술하기 위해서는 각 신체의 뼈들을 강체로 근사한 다음, 여러 개의 강체가 독립적으로 움직인다고 가정해야 한다.
일례로
필자가 글을 쓰기 위해 자판을 두드리는 순간에는 손가락 관절들이 조금씩 움직이고 돌아간다. 여기에는 관절을 중심으로 손가락을
회전시키는 돌림힘(토크·torque)이 작용하고 있다. 우리가 축구나 농구 같은 운동을 통해 역학적인 일을 하면서 에너지를 쓸
때도 이를 고려해야 한다.
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