Biomechanika pohybu živočichů

Jak se síly generované svaly mění v pohyb: pákové mechanismy koster, pružiny, které ukládají a vracejí energii, a fyzikální principy, které formují pohyb živočichů.

Definition

Biomechanika pohybu živočichů je studium fyzikálních sil a struktur podílejících se na lokomoci – jak svaly působí prostřednictvím koster a elastických prvků k překonání gravitace, odporu a setrvačnosti a k vytvoření koordinovaného pohybu – analyzované pomocí principů mechaniky.

Scope

Toto téma se zabývá mechanikou, která spojuje svalovou sílu s pohybem celého živočicha: působení svalů na rigidní a hydrostatické kostry jako páky, kompromis mezi silou a rychlostí, ukládání a uvolňování elastické energie ve šlachách a jiných tkáních a vliv velikosti těla na pohyb prostřednictvím škálování a dynamické podobnosti. Pojednává o silách, které musí živočich překonávat, a o strukturálních řešeních, která pohyb umožňují. Pokrytí je komparativní a mechanistické.

Core questions

• Jak kostry přeměňují svalovou sílu na pohyb?
• Jak živočichové vyvažují sílu proti rychlosti a rozsahu pohybu?
• Jak je elastická energie ukládána a uvolňována během lokomoce?
• Jak velikost těla mění mechaniku pohybu?

Key theories

Kosterní páky a kompromis mezi silou a rychlostí

Svaly působící přes klouby tvoří pákové systémy, jejichž geometrie stanovuje kompromis mezi vyvinutou silou a rychlostí a rozsahem výsledného pohybu, takže proporce končetin jsou přizpůsobeny mechanickým požadavkům živočicha.

Ukládání elastické energie a dynamická podobnost

Šlachy a další elastické struktury ukládají a uvolňují energii, aby byla lokomoce ekonomičtější, a škálovací argumenty, jako je dynamická podobnost, vysvětlují, proč se živočichové různých velikostí pohybují geometricky srovnatelnými způsoby.

Mechanisms

Svaly se upínají přes klouby a tvoří páky, přičemž relativní poloha svalového úponu a kloubu určuje, zda systém upřednostňuje sílu nebo rychlost a jak daleko se končetina pohybuje. Rigidní kostry poskytují páky u členovců a obratlovců, zatímco měkkotělní živočichové využívají hydrostatické kostry, ve kterých sval působí proti dutině naplněné tekutinou. Během lokomoce se elastické struktury, jako jsou šlachy a kutikula, natahují a smršťují, ukládají energii, když se tělo zpomaluje, a uvolňují ji během dalšího odrazu, což snižuje energii, kterou musí svaly dodávat. Živočichové musí překonávat gravitaci na souši, odpor ve vodě a vzduchu a setrvačnost vlastních těl, a rovnováha těchto sil se mění s velikostí těla: protože hmotnost, plocha a délka se škálují odlišně, velcí a malí živočichové čelí různým mechanickým omezením, zachyceným škálovacími zákony a principem dynamické podobnosti, který spojuje způsoby pohybu živočichů různých velikostí.

Clinical relevance

Biomechanická analýza pohybu přispívá k pochopení chůze, zatížení kloubů a energetických nákladů lokomoce a inspiruje design kráčejících a jiných bio-inspirovaných strojů. Tento záznam je vzdělávacím referenčním materiálem, nikoli lékařským doporučením.

History

Borelliho pojednání o pohybu živočichů jako o mechanice ze sedmnáctého století založilo biomechaniku a ve dvacátém století Robert McNeill Alexander a další kvantifikovali páky, ukládání elastické energie a škálování lokomoce, zatímco studie chůze a dynamické podobnosti spojovaly mechaniku pohybu s velikostí těla.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Proč jsou některé končetiny stavěny pro sílu a jiné pro rychlost?

Geometrie svalů a kloubů funguje jako páka a uspořádání, která maximalizují sílu, obvykle obětují rychlost a rozsah, takže design končetin odráží, zda živočich potřebuje sílu nebo rychlost.

Jak šlachy zefektivňují pohyb?

Šlachy fungují jako pružiny, ukládají energii, když tělo dopadne nebo zpomalí, a uvolňují ji při dalším kroku, takže svaly vykonávají méně práce a lokomoce stojí méně energie.