Fortbewegungsarten und Effizienz

Warum Schwimmen, Fliegen und Laufen jeweils ihre eigene Physik und Energiekosten haben und was eine Fortbewegungsart kostengünstiger macht als eine andere.

Definition

Fortbewegungsarten sind die verschiedenen Weisen, wie Tiere sich fortbewegen – hauptsächlich Schwimmen, Fliegen und terrestrische Fortbewegung – und die Effizienz der Fortbewegung ist, wie ökonomisch jede Art ein Tier bewegt, üblicherweise ausgedrückt als Transportkosten, d.h. die Energie, die erforderlich ist, um eine Einheitskörpermasse über eine Einheitsdistanz zu transportieren.

Scope

Dieses Thema behandelt die wichtigsten Fortbewegungsarten von Tieren und ihre energetische Effizienz: Schwimmen und den Widerstand der Bewegung durch Wasser, Fliegen und die Erzeugung von Auftrieb, terrestrische Fortbewegung und die Nutzung von Gangarten sowie den Vergleich dieser Arten durch die Transportkosten. Es wird behandelt, wie das Medium, die Körpergröße und die Geschwindigkeit den Energiebedarf für eine bestimmte Strecke bestimmen und warum jede Art unter ihren eigenen Bedingungen effizient ist. Die Darstellung ist vergleichend und mechanistisch.

Core questions

• Welche physikalischen Kräfte dominieren Schwimmen, Fliegen und Laufen?
• Wie wird die energetische Effizienz der Fortbewegung gemessen und verglichen?
• Warum nutzen Tiere bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten verschiedene Gangarten?
• Wie bestimmen Medium und Körpergröße, welche Bewegungsart am günstigsten ist?

Key theories

Transportkosten über verschiedene Fortbewegungsarten hinweg

Die Energie, um eine Einheit Körpermasse über eine Einheit Distanz zu bewegen, unterscheidet sich systematisch zwischen Schwimmen, Fliegen und Laufen, wobei Schwimmen im Allgemeinen am günstigsten und Laufen pro Distanz am teuersten ist und innerhalb jeder Fortbewegungsart mit der Körpergröße abnimmt.

Gangartauswahl nach Ökonomie

Terrestrische Tiere wechseln zwischen Gangarten wie Gehen, Traben und Galoppieren bei Geschwindigkeiten, bei denen jede am ökonomischsten wird, was die sich ändernde Mechanik und den Energieverbrauch der Fortbewegung mit der Geschwindigkeit widerspiegelt.

Mechanisms

Jede Fortbewegungsart muss mit unterschiedlichen Kräften umgehen. Schwimmer müssen den Widerstand und die Dichte des Wassers überwinden und durch Undulation oder Gliedmaßen Schub erzeugen, wobei sie geringe Transportkosten erzielen, da das Wasser ihr Gewicht trägt. Flieger müssen Auftrieb erzeugen, um in der Luft zu bleiben, sowie Schub, um sich vorwärts zu bewegen, was den Flug kraftvoll, aber pro Distanz für Tiere, die weite Strecken zurücklegen, mäßig ökonomisch macht. Terrestrische Tiere stützen ihr Gewicht gegen die Schwerkraft und beschleunigen und verzögern ihre Gliedmaßen und Körper mit jedem Schritt, was das Laufen relativ kostspielig macht, obwohl die Speicherung elastischer Energie und die Wahl der Gangart die Kosten reduzieren. Der Vergleich der Fortbewegungsarten anhand der Transportkosten zeigt, dass für eine gegebene Körpergröße Schwimmen im Allgemeinen am günstigsten und Laufen am teuersten ist und dass größere Tiere pro Masseneinheit innerhalb jeder Fortbewegungsart ökonomischer sind. Diese Muster erklären, warum Tiere an bestimmte Medien und Reisestrecken angepasst sind.

Clinical relevance

Die vergleichende Untersuchung der Fortbewegungseffizienz trägt zum Verständnis der energetischen Kosten von Bewegung, Gangart und körperlicher Betätigung bei und leitet das Design effizienter Fahrzeuge und Roboter. Dieser Eintrag ist ein pädagogisches Referenzmaterial und bietet keine medizinische Beratung.

History

Schmidt-Nielsens und Taylors Messungen der Energiekosten der Fortbewegung bei Tieren und Fortbewegungsarten etablierten den Rahmen der Transportkosten, Tuckers Studien zur Flugenergetik quantifizierten die Kosten des Fliegens, und Alexanders Analysen von Gangart und dynamischer Ähnlichkeit erklärten, warum Tiere sich so bewegen, wie sie es tun.

Key figures

• Knut Schmidt-Nielsen
• Robert McNeill Alexander
• Charles Richard Taylor
• Vance Tucker

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• alexander2003
• hill2016

Frequently asked questions

Welche Fortbewegungsart ist am energieeffizientesten?

Für eine gegebene Körpergröße hat Schwimmen im Allgemeinen die geringsten Transportkosten, da das Wasser das Gewicht des Tieres trägt, während Laufen pro zurückgelegter Strecke tendenziell am teuersten ist.

Warum wechseln Tiere die Gangart, wenn sie schneller werden?

Jede Gangart ist über einen bestimmten Geschwindigkeitsbereich am ökonomischsten, daher wechseln Tiere vom Gehen zum Traben zum Galoppieren an den Punkten, an denen die neue Gangart weniger Energie verbraucht.