Loomade liikumise biomehaanika

Kuidas lihaste tekitatud jõududest saab liikumine: skelettide kangid, energiat salvestavad ja tagastavad vedrud ning füüsika, mis kujundab loomade liikumist.

Definition

Loomade liikumise biomehaanika on liikumises osalevate füüsikaliste jõudude ja struktuuride uurimine – kuidas lihased tegutsevad läbi skelettide ja elastsete elementide, et ületada gravitatsiooni, takistust ja inertsust ning tekitada koordineeritud liikumist – analüüsituna mehaanika põhimõtetega.

Scope

See teema käsitleb mehaanikat, mis seob lihasjõu kogu looma liikumisega: lihaste toimet jäikadele ja hüdrostaatilistele skelettidele kui kangidele, jõu ja kiiruse vahelist kompromissi, elastse energia salvestamist ja tagastamist kõõlustes ja teistes kudedes ning keha suuruse mõju liikumisele skaleerimise ja dünaamilise sarnasuse kaudu. See käsitleb jõude, mida loom peab ületama, ja struktuurseid lahendusi, mis teevad liikumise võimalikuks. Käsitlus on võrdlev ja mehhanistlik.

Core questions

• Kuidas muudavad skeletid lihasjõu liikumiseks?
• Kuidas loomad tasakaalustavad jõudu kiiruse ja liikumisulatuse vastu?
• Kuidas salvestatakse ja tagastatakse elastset energiat liikumise ajal?
• Kuidas muudab keha suurus liikumise mehaanikat?

Key theories

Skeleti kangid ja jõu-kiiruse kompromiss

Liigeste kaudu toimivad lihased moodustavad kangisüsteeme, mille geomeetria seab kompromissi rakendatava jõu ning sellest tuleneva liikumise kiiruse ja ulatuse vahel, nii et jäsemete proportsioonid on kohandatud looma mehaanilistele nõudmistele.

Elastse energia salvestamine ja dünaamiline sarnasus

Kõõlused ja muud elastsed struktuurid salvestavad ja tagastavad energiat, et muuta liikumine ökonoomsemaks, ning skaleerimisargumendid, nagu dünaamiline sarnasus, selgitavad, miks erineva suurusega loomad liiguvad geomeetriliselt võrreldavatel viisidel.

Mechanisms

Lihased kinnituvad üle liigeste, moodustades kange, ja lihase kinnituskoha ning liigese suhtelised asendid määravad, kas süsteem soosib jõudu või kiirust ja kui kaugele jäse liigub. Jäigad skeletid pakuvad kange lülijalgsetele ja selgroogsetele, samas kui pehmekehalised loomad kasutavad hüdrostaatilisi skelette, milles lihas toimib vedelikuga täidetud õõnsuse vastu. Liikumise ajal venivad ja tõmbuvad kõõlused ja kutiikul, salvestades energiat keha aeglustumisel ja tagastades seda järgmise tõuke ajal, mis vähendab lihaste poolt tarnitavat energiat. Loomad peavad ületama gravitatsiooni maal, takistust vees ja õhus ning oma keha inertsust, ja nende jõudude tasakaal muutub keha suurusega: kuna mass, pindala ja pikkus skaleeruvad erinevalt, seisavad suured ja väikesed loomad silmitsi erinevate mehaaniliste piirangutega, mida kajastavad skaleerimisseadused ja dünaamilise sarnasuse põhimõte, mis seob erineva suurusega loomade kõnnakuid.

Clinical relevance

Liikumise biomehaaniline analüüs annab teavet kõnnaku, liigeste koormuse ja liikumise energiakulu mõistmiseks ning inspireerib jalgadega ja teiste bioinspireeritud masinate disaini. See kirje on hariduslik referentsmaterjal, mitte meditsiiniline juhend.

History

Borelli seitsmeteistkümnenda sajandi käsitlus loomade liikumisest kui mehaanikast pani aluse biomehaanikale, ja kahekümnendal sajandil kvantifitseerisid Robert McNeill Alexander ja teised kangid, elastse energia salvestamise ja liikumise skaleerimise, samas kui kõnnaku ja dünaamilise sarnasuse uuringud seostasid liikumise mehaanikat keha suurusega.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Miks on mõned jäsemed ehitatud jõu ja teised kiiruse jaoks?

Lihaste ja liigeste geomeetria toimib nagu kang, ja paigutused, mis maksimeerivad jõudu, ohverdavad tavaliselt kiiruse ja ulatuse, nii et jäseme disain peegeldab, kas loom vajab tugevust või kiirust.

Kuidas muudavad kõõlused liikumise tõhusamaks?

Kõõlused toimivad nagu vedrud, salvestades energiat keha maandumisel või aeglustumisel ja vabastades selle järgmise sammu ajal, nii et lihased teevad vähem tööd ja liikumine kulutab vähem energiat.