Biomecánica del movimiento animal

Cómo las fuerzas que genera un músculo se convierten en movimiento: las palancas de los esqueletos, los resortes que almacenan y devuelven energía, y la física que da forma a cómo se mueven los animales.

Definition

La biomecánica del movimiento animal es el estudio de las fuerzas físicas y las estructuras involucradas en la locomoción —cómo los músculos actúan a través de esqueletos y elementos elásticos para superar la gravedad, la resistencia y la inercia y producir un movimiento coordinado— analizado con los principios de la mecánica.

Scope

Este tema abarca la mecánica que vincula la fuerza muscular con el movimiento del animal completo: la acción de los músculos sobre esqueletos rígidos e hidrostáticos como palancas, la relación inversa entre fuerza y velocidad, el almacenamiento y la devolución de energía elástica en tendones y otros tejidos, y la influencia del tamaño corporal en el movimiento a través de la escala y la similitud dinámica. Trata las fuerzas que un animal debe superar y las soluciones estructurales que hacen posible el movimiento. La cobertura es comparativa y mecanicista.

Core questions

• ¿Cómo transforman los esqueletos la fuerza muscular en movimiento?
• ¿Cómo equilibran los animales la fuerza con la velocidad y el rango de movimiento?
• ¿Cómo se almacena y se devuelve la energía elástica durante la locomoción?
• ¿Cómo cambia el tamaño corporal la mecánica del movimiento?

Key theories

Palancas esqueléticas y la relación inversa fuerza-velocidad

Los músculos que actúan a través de las articulaciones forman sistemas de palancas cuya geometría establece una relación inversa entre la fuerza ejercida y la velocidad y el rango del movimiento resultante, por lo que las proporciones de las extremidades se ajustan a las demandas mecánicas de un animal.

Almacenamiento de energía elástica y similitud dinámica

Los tendones y otras estructuras elásticas almacenan y devuelven energía para hacer la locomoción más económica, y los argumentos de escala, como la similitud dinámica, explican por qué los animales de diferentes tamaños se mueven de maneras geométricamente comparables.

Mechanisms

Los músculos se unen a través de las articulaciones para formar palancas, y las posiciones relativas de la inserción muscular y la articulación determinan si el sistema favorece la fuerza o la velocidad y qué tan lejos se mueve la extremidad. Los esqueletos rígidos proporcionan las palancas en artrópodos y vertebrados, mientras que los animales de cuerpo blando utilizan esqueletos hidrostáticos en los que el músculo actúa contra una cavidad llena de líquido. Durante la locomoción, las estructuras elásticas como los tendones y la cutícula se estiran y retroceden, almacenando energía cuando el cuerpo desacelera y devolviéndola durante el siguiente impulso, lo que reduce la energía que los músculos deben suministrar. Los animales deben superar la gravedad en tierra, la resistencia en el agua y el aire, y la inercia de sus propios cuerpos, y el equilibrio de estas fuerzas cambia con el tamaño corporal: debido a que la masa, el área y la longitud escalan de manera diferente, los animales grandes y pequeños enfrentan diferentes restricciones mecánicas, capturadas por las leyes de escala y el principio de similitud dinámica que relaciona las marchas de animales de diferentes tamaños.

Clinical relevance

El análisis biomecánico del movimiento informa la comprensión de la marcha, la carga articular y el costo energético de la locomoción, e inspira el diseño de máquinas con patas y otras máquinas bioinspiradas. Esta entrada es material de referencia educativa en lugar de orientación médica.

History

El tratamiento del movimiento animal como mecánica por Borelli en el siglo XVII fundó la biomecánica, y en el siglo XX Robert McNeill Alexander y otros cuantificaron las palancas, el almacenamiento de energía elástica y la escala de la locomoción, mientras que los estudios de la marcha y la similitud dinámica relacionaron la mecánica del movimiento con el tamaño corporal.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

¿Por qué algunas extremidades están diseñadas para la potencia y otras para la velocidad?

La geometría de los músculos y las articulaciones actúa como una palanca, y las disposiciones que maximizan la fuerza suelen sacrificar la velocidad y el rango, por lo que el diseño de las extremidades refleja si un animal necesita fuerza o rapidez.

¿Cómo hacen los tendones que el movimiento sea más eficiente?

Los tendones actúan como resortes, almacenando energía cuando el cuerpo aterriza o desacelera y liberándola en el siguiente paso, de modo que los músculos realizan menos trabajo y la locomoción cuesta menos energía.