Biomecànica del moviment animal

Com les forces que genera un múscul esdevenen moviment: les palanques dels esquelets, les molles que emmagatzemen i retornen energia, i la física que modela com es mouen els animals.

Definition

La biomecànica del moviment animal és l'estudi de les forces físiques i les estructures implicades en la locomoció —com els músculs actuen a través d'esquelets i elements elàstics per vèncer la gravetat, l'arrossegament i la inèrcia i produir moviment coordinat— analitzada amb els principis de la mecànica.

Scope

Aquest tema cobreix la mecànica que vincula la força muscular amb el moviment de l'animal sencer: l'acció dels músculs sobre esquelets rígids i hidrostàtics com a palanques, la compensació entre força i velocitat, l'emmagatzematge i el retorn d'energia elàstica en tendons i altres teixits, i la influència de la mida corporal en el moviment mitjançant l'escalament i la similitud dinàmica. Tracta les forces que un animal ha de vèncer i les solucions estructurals que fan possible el moviment. La cobertura és comparativa i mecanicista.

Core questions

• Com els esquelets transformen la força muscular en moviment?
• Com els animals compensen la força amb la velocitat i el rang de moviment?
• Com s'emmagatzema i es retorna l'energia elàstica durant la locomoció?
• Com canvia la mida corporal la mecànica del moviment?

Key theories

Palanques esquelètiques i la compensació força-velocitat

Els músculs que actuen a través de les articulacions formen sistemes de palanques la geometria dels quals estableix una compensació entre la força exercida i la velocitat i el rang del moviment resultant, de manera que les proporcions de les extremitats s'ajusten a les demandes mecàniques d'un animal.

Emmagatzematge d'energia elàstica i similitud dinàmica

Els tendons i altres estructures elàstiques emmagatzemen i retornen energia per fer la locomoció més econòmica, i arguments d'escalament com la similitud dinàmica expliquen per què els animals de diferents mides es mouen de maneres geomètricament comparables.

Mechanisms

Els músculs s'uneixen a través de les articulacions per formar palanques, i les posicions relatives de la inserció muscular i l'articulació determinen si el sistema afavoreix la força o la velocitat i fins a quin punt es mou l'extremitat. Els esquelets rígids proporcionen les palanques en artròpodes i vertebrats, mentre que els animals de cos tou utilitzen esquelets hidrostàtics en els quals el múscul actua contra una cavitat plena de fluid. Durant la locomoció, les estructures elàstiques com els tendons i la cutícula s'estiren i es contrauen, emmagatzemant energia quan el cos desaccelera i retornant-la durant la següent empenta, la qual cosa redueix l'energia que els músculs han de subministrar. Els animals han de vèncer la gravetat a terra, l'arrossegament a l'aigua i l'aire, i la inèrcia dels seus propis cossos, i l'equilibri d'aquestes forces canvia amb la mida corporal: com que la massa, l'àrea i la longitud escalen de manera diferent, els animals grans i petits s'enfronten a diferents restriccions mecàniques, capturades per les lleis d'escalament i el principi de similitud dinàmica que relaciona les marxes d'animals de diferents mides.

Clinical relevance

L'anàlisi biomecànica del moviment informa la comprensió de la marxa, la càrrega articular i el cost energètic de la locomoció, i inspira el disseny de màquines amb potes i altres màquines bioinspirades. Aquesta entrada és material de referència educativa més que una guia mèdica.

History

El tractament de Borelli al segle XVII del moviment animal com a mecànica va fundar la biomecànica, i al segle XX Robert McNeill Alexander i altres van quantificar les palanques, l'emmagatzematge d'energia elàstica i l'escalament de la locomoció, mentre que els estudis de la marxa i la similitud dinàmica van relacionar la mecànica del moviment amb la mida corporal.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Per què algunes extremitats estan construïdes per a la potència i altres per a la velocitat?

La geometria dels músculs i les articulacions actua com una palanca, i les disposicions que maximitzen la força solen sacrificar la velocitat i el rang, de manera que el disseny de les extremitats reflecteix si un animal necessita força o rapidesa.

Com fan els tendons el moviment més eficient?

Els tendons actuen com a molles, emmagatzemant energia quan el cos aterra o desaccelera i alliberant-la en la següent passa, de manera que els músculs fan menys feina i la locomoció costa menys energia.