Биомеханика на движението при животните

Как силите, произвеждани от мускулите, се превръщат в движение: скелетните лостове, пружините, които съхраняват и отдават енергия, и физиката, която определя начина, по който се движат животните.

Definition

Биомеханиката на движението при животните е изследване на физическите сили и структури, участващи в придвижването — как мускулите действат чрез скелети и еластични елементи, за да преодолеят гравитацията, съпротивлението и инерцията и да произведат координирано движение — анализирано с принципите на механиката.

Scope

Тази тема обхваща механиката, която свързва мускулната сила с движението на цялото животно: действието на мускулите върху твърди и хидростатични скелети като лостове, компромисът между сила и скорост, съхранението и отдаването на еластична енергия в сухожилията и други тъкани, както и влиянието на размера на тялото върху движението чрез мащабиране и динамично подобие. Тя разглежда силите, които животното трябва да преодолее, и структурните решения, които правят движението възможно. Обхватът е сравнителен и механистичен.

Core questions

• Как скелетите превръщат мускулната сила в движение?
• Как животните балансират между сила, скорост и обхват на движение?
• Как се съхранява и отдава еластична енергия по време на придвижване?
• Как размерът на тялото променя механиката на движението?

Key theories

Скелетни лостове и компромисът сила–скорост

Мускулите, действащи през ставите, образуват лостови системи, чиято геометрия определя компромис между приложената сила и скоростта и обхвата на полученото движение, така че пропорциите на крайниците са адаптирани към механичните изисквания на животното.

Съхранение на еластична енергия и динамично подобие

Сухожилията и други еластични структури съхраняват и отдават енергия, за да направят придвижването по-икономично, а аргументи за мащабиране като динамичното подобие обясняват защо животни с различни размери се движат по геометрично сравними начини.

Mechanisms

Мускулите се прикрепят през ставите, за да образуват лостове, а относителните позиции на залавното място на мускула и ставата определят дали системата благоприятства силата или скоростта и колко далеч се движи крайникът. Твърдите скелети осигуряват лостовете при членестоногите и гръбначните животни, докато мекотелите използват хидростатични скелети, при които мускулите действат срещу изпълнена с течност кухина. По време на придвижване еластични структури като сухожилията и кутикулата се разтягат и свиват, съхранявайки енергия, когато тялото забавя движението, и я отдават по време на следващото оттласкване, което намалява енергията, която мускулите трябва да осигурят. Животните трябва да преодоляват гравитацията на сушата, съпротивлението във водата и въздуха, както и инерцията на собствените си тела, като балансът на тези сили се променя с размера на тялото: тъй като масата, площта и дължината се мащабират по различен начин, големите и малките животни са изправени пред различни механични ограничения, уловени от законите за мащабиране и принципа на динамичното подобие, който свързва походките на животни с различни размери.

Clinical relevance

Биомеханичният анализ на движението допринася за разбирането на походката, натоварването на ставите и енергийните разходи за придвижване, както и вдъхновява дизайна на ходещи и други биоинспирирани машини. Този запис е образователен справочен материал, а не медицинско ръководство.

History

Разглеждането на движението на животните като механика от Борели през XVII век поставя основите на биомеханиката, а през XX век Робърт Макнийл Александър и други количествено определят лостовете, съхранението на еластична енергия и мащабирането на придвижването, докато изследванията на походката и динамичното подобие свързват механиката на движението с размера на тялото.

Key figures

• Robert McNeill Alexander
• Knut Schmidt-Nielsen
• Giovanni Borelli
• Thomas McMahon

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Защо някои крайници са създадени за сила, а други за скорост?

Геометрията на мускулите и ставите действа като лост, а подредбите, които максимизират силата, обикновено жертват скоростта и обхвата, така че дизайнът на крайниците отразява дали животното се нуждае от сила или бързина.

Как сухожилията правят движението по-ефективно?

Сухожилията действат като пружини, съхранявайки енергия, когато тялото се приземява или забавя, и я освобождават при следващата крачка, така че мускулите извършват по-малко работа и придвижването струва по-малко енергия.