BIOMECHANICS Ch.1
力学の基礎とニュートンの法則
ベクトル・地面反力・トルク・重心の基礎知識
このページで学べること
- スカラー量とベクトル量の違い
- ニュートンの3法則（慣性・加速度・作用反作用）
- 地面反力（GRF）と床反力板
- トルクと回転運動
- 重心（COG）と安定性
1. スカラー量とベクトル量
力学では2種類の量を区別する必要があります。スカラー量は大きさのみを持ち（例：体重60kg、速さ10m/s）、ベクトル量は大きさと方向の両方を持ちます（例：力100N下向き、速度10m/s北向き）。
スカラー量の例
- 質量（kg）
- 速さ（m/s）
- 仕事量（J）
- 温度（℃）
ベクトル量の例
- 力（N）
- 速度（m/s）
- 加速度（m/s²）
- 変位（m）
2. ニュートンの3法則
第1法則：慣性の法則
外力が加わらない限り、静止している物体は静止し続け、運動している物体は等速直線運動を続ける。トレーニング応用：バーベルを持ち上げる際、最初の慣性を克服するための力が最大になる。
第2法則：加速度の法則
F = ma（力 = 質量 × 加速度）。同じ力でも質量が大きいほど加速度は小さくなる。トレーニング応用：重いバーベルほど同じ加速度を得るために大きな力が必要。
第3法則：作用反作用の法則
全ての作用には、大きさが等しく方向が反対の反作用がある。トレーニング応用：地面を蹴る力（作用）に対し、地面から同じ大きさの反力（GRF）が返ってくる。
3. 地面反力（GRF）
地面反力（Ground Reaction Force: GRF）とは、身体が地面を押す力に対して地面から返ってくる反力です。ニュートン第3法則の実例です。
GRFの3成分
- 垂直成分（Fz）: 体重支持・衝撃吸収。歩行時は体重の約1.2倍、走行時は約3倍
- 前後成分（Fy）: 推進力・制動力。走行の加速・減速に関与
- 左右成分（Fx）: 側方安定性。方向転換動作で重要
4. トルク（モーメント）
トルク（Torque）は回転を引き起こす力のモーメントです。
トルクの計算式
T = F × d（トルク = 力 × モーメントアーム）
モーメントアームとは、回転軸から力の作用線までの垂直距離です。関節の角度によってモーメントアームが変化するため、同じ重量でも関節への負荷は変わります。
5. 重心（COG）と安定性
重心（Center of Gravity: COG）は、身体の全質量が集中しているとみなせる点です。立位では第2仙椎付近（体重の約55-57%の高さ）に位置します。
安定性を高める要因
- 支持基底面を広くする
- 重心を低くする
- 体重を増やす
- 重心を支持基底面の中心へ
不安定になる要因
- 支持基底面が狭い
- 重心が高い
- 重心が端に偏る
- 外力の作用
章のまとめ
- ベクトル量（力・速度）は大きさと方向の両方を持つ
- ニュートン3法則はトレーニング動作の力学的解析の基盤
- GRFは歩行で体重の1.2倍、走行で約3倍に増大
- トルク = 力 × モーメントアーム（関節角度で変化）
- 重心を低く・支持基底面を広くすると安定性が増す
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