Εμβιομηχανική της Κίνησης των Ζώων

Πώς οι δυνάμεις που παράγει ένας μυς μετατρέπονται σε κίνηση: οι μοχλοί των σκελετών, τα ελατήρια που αποθηκεύουν και αποδίδουν ενέργεια, και η φυσική που διαμορφώνει τον τρόπο κίνησης των ζώων.

Definition

Η εμβιομηχανική της κίνησης των ζώων είναι η μελέτη των φυσικών δυνάμεων και δομών που εμπλέκονται στην κίνηση — πώς οι μύες δρουν μέσω σκελετών και ελαστικών στοιχείων για να υπερνικήσουν τη βαρύτητα, την αντίσταση και την αδράνεια και να παράγουν συντονισμένη κίνηση — αναλυόμενη με τις αρχές της μηχανικής.

Scope

Αυτό το θέμα καλύπτει τους μηχανισμούς που συνδέουν τη μυϊκή δύναμη με την κίνηση ολόκληρου του ζώου: τη δράση των μυών σε άκαμπτους και υδροστατικούς σκελετούς ως μοχλούς, την αντισταθμιστική σχέση μεταξύ δύναμης και ταχύτητας, την αποθήκευση και απόδοση ελαστικής ενέργειας σε τένοντες και άλλους ιστούς, και την επίδραση του μεγέθους του σώματος στην κίνηση μέσω της κλιμάκωσης και της δυναμικής ομοιότητας. Εξετάζει τις δυνάμεις που πρέπει να υπερνικήσει ένα ζώο και τις δομικές λύσεις που καθιστούν δυνατή την κίνηση. Η κάλυψη είναι συγκριτική και μηχανιστική.

Core questions

• Πώς μετατρέπουν οι σκελετοί τη μυϊκή δύναμη σε κίνηση;
• Πώς αντισταθμίζουν τα ζώα τη δύναμη έναντι της ταχύτητας και του εύρους κίνησης;
• Πώς αποθηκεύεται και αποδίδεται η ελαστική ενέργεια κατά την κίνηση;
• Πώς αλλάζει το μέγεθος του σώματος τη μηχανική της κίνησης;

Key theories

Σκελετικοί μοχλοί και η αντισταθμιστική σχέση δύναμης-ταχύτητας

Οι μύες που δρουν στις αρθρώσεις σχηματίζουν συστήματα μοχλών των οποίων η γεωμετρία καθορίζει μια αντισταθμιστική σχέση μεταξύ της ασκούμενης δύναμης και της ταχύτητας και του εύρους της προκύπτουσας κίνησης, έτσι ώστε οι αναλογίες των άκρων να είναι προσαρμοσμένες στις μηχανικές απαιτήσεις ενός ζώου.

Αποθήκευση ελαστικής ενέργειας και δυναμική ομοιότητα

Οι τένοντες και άλλες ελαστικές δομές αποθηκεύουν και αποδίδουν ενέργεια για να καταστήσουν την κίνηση πιο οικονομική, και επιχειρήματα κλιμάκωσης όπως η δυναμική ομοιότητα εξηγούν γιατί ζώα διαφορετικών μεγεθών κινούνται με γεωμετρικά συγκρίσιμους τρόπους.

Mechanisms

Οι μύες προσφύονται στις αρθρώσεις για να σχηματίσουν μοχλούς, και οι σχετικές θέσεις της κατάφυσης του μυός και της άρθρωσης καθορίζουν αν το σύστημα ευνοεί τη δύναμη ή την ταχύτητα και πόσο μακριά κινείται το άκρο. Οι άκαμπτοι σκελετοί παρέχουν τους μοχλούς στα αρθρόποδα και τα σπονδυλωτά, ενώ τα ζώα με μαλακό σώμα χρησιμοποιούν υδροστατικούς σκελετούς στους οποίους ο μυς δρα ενάντια σε μια κοιλότητα γεμάτη υγρό. Κατά την κίνηση, ελαστικές δομές όπως οι τένοντες και η επιδερμίδα τεντώνονται και συστέλλονται, αποθηκεύοντας ενέργεια όταν το σώμα επιβραδύνει και αποδίδοντάς την κατά την επόμενη ώθηση, γεγονός που μειώνει την ενέργεια που πρέπει να παρέχουν οι μύες. Τα ζώα πρέπει να υπερνικήσουν τη βαρύτητα στην ξηρά, την αντίσταση στο νερό και τον αέρα, και την αδράνεια των ίδιων τους των σωμάτων, και η ισορροπία αυτών των δυνάμεων αλλάζει με το μέγεθος του σώματος: επειδή η μάζα, η επιφάνεια και το μήκος κλιμακώνονται διαφορετικά, τα μεγάλα και μικρά ζώα αντιμετωπίζουν διαφορετικούς μηχανικούς περιορισμούς, οι οποίοι αποτυπώνονται από τους νόμους κλιμάκωσης και την αρχή της δυναμικής ομοιότητας που συσχετίζει τους τρόπους βάδισης ζώων διαφορετικών μεγεθών.

Clinical relevance

Η εμβιομηχανική ανάλυση της κίνησης ενημερώνει την κατανόηση της βάδισης, της φόρτισης των αρθρώσεων και του ενεργειακού κόστους της κίνησης και εμπνέει τον σχεδιασμό μηχανών με πόδια και άλλων βιο-εμπνευσμένων μηχανών. Αυτή η καταχώριση αποτελεί εκπαιδευτικό υλικό αναφοράς και όχι ιατρική καθοδήγηση.

History

Η επεξεργασία της κίνησης των ζώων ως μηχανικής από τον Borelli τον δέκατο έβδομο αιώνα θεμελίωσε την εμβιομηχανική, και τον εικοστό αιώνα ο Robert McNeill Alexander και άλλοι ποσοτικοποίησαν τους μοχλούς, την αποθήκευση ελαστικής ενέργειας και την κλιμάκωση της κίνησης, ενώ μελέτες της βάδισης και της δυναμικής ομοιότητας συσχέτισαν τη μηχανική της κίνησης με το μέγεθος του σώματος.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Γιατί κάποια άκρα είναι φτιαγμένα για δύναμη και άλλα για ταχύτητα;

Η γεωμετρία των μυών και των αρθρώσεων λειτουργεί σαν μοχλός, και οι διατάξεις που μεγιστοποιούν τη δύναμη συνήθως θυσιάζουν την ταχύτητα και το εύρος, οπότε ο σχεδιασμός των άκρων αντανακλά αν ένα ζώο χρειάζεται δύναμη ή ταχύτητα.

Πώς κάνουν οι τένοντες την κίνηση πιο αποτελεσματική;

Οι τένοντες λειτουργούν σαν ελατήρια, αποθηκεύοντας ενέργεια όταν το σώμα προσγειώνεται ή επιβραδύνει και απελευθερώνοντάς την στο επόμενο βήμα, έτσι ώστε οι μύες να κάνουν λιγότερη δουλειά και η κίνηση να κοστίζει λιγότερη ενέργεια.