بیومکانیک حرکت حیوانات
چگونگی تبدیل نیروهای تولید شده توسط عضلات به حرکت: اهرمهای اسکلتی، فنرهایی که انرژی را ذخیره و بازمیگردانند، و فیزیکی که شکل حرکت حیوانات را تعیین میکند.
Definition
بیومکانیک حرکت حیوانات مطالعه نیروها و ساختارهای فیزیکی درگیر در حرکت است — اینکه چگونه عضلات از طریق اسکلتها و عناصر کشسان عمل میکنند تا بر گرانش، کشش و اینرسی غلبه کرده و حرکت هماهنگ تولید کنند — که با اصول مکانیک تحلیل میشود.
Scope
این موضوع به مکانیکهایی میپردازد که نیروی عضلانی را به حرکت کل حیوان پیوند میدهند: عملکرد عضلات بر روی اسکلتهای صلب و هیدرواستاتیک به عنوان اهرم، مبادله بین نیرو و سرعت، ذخیره و بازگشت انرژی کشسان در تاندونها و سایر بافتها، و تأثیر اندازه بدن بر حرکت از طریق مقیاسبندی و شباهت دینامیکی. این مبحث به نیروهایی که حیوان باید بر آنها غلبه کند و راهحلهای ساختاری که حرکت را ممکن میسازند، میپردازد. پوشش این موضوع مقایسهای و مکانیکی است.
Core questions
- اسکلتها چگونه نیروی عضلانی را به حرکت تبدیل میکنند؟
- حیوانات چگونه بین نیرو، سرعت و دامنه حرکت تعادل برقرار میکنند؟
- انرژی کشسان چگونه در طول حرکت ذخیره و بازگردانده میشود؟
- اندازه بدن چگونه مکانیک حرکت را تغییر میدهد؟
Key theories
- اهرمهای اسکلتی و مبادله نیرو-سرعت
- عضلاتی که در سراسر مفاصل عمل میکنند، سیستمهای اهرمی را تشکیل میدهند که هندسه آنها مبادلهای بین نیروی اعمال شده و سرعت و دامنه حرکت حاصل را تعیین میکند، بنابراین نسبتهای اندام با نیازهای مکانیکی حیوان تنظیم میشوند.
- ذخیره انرژی کشسان و شباهت دینامیکی
- تاندونها و سایر ساختارهای کشسان انرژی را ذخیره و بازمیگردانند تا حرکت را اقتصادیتر کنند، و استدلالهای مقیاسبندی مانند شباهت دینامیکی توضیح میدهند که چرا حیوانات با اندازههای مختلف به روشهای هندسی قابل مقایسه حرکت میکنند.
Mechanisms
عضلات در سراسر مفاصل متصل میشوند تا اهرمهایی را تشکیل دهند، و موقعیتهای نسبی محل اتصال عضله و مفصل تعیین میکند که آیا سیستم به نفع نیرو یا سرعت است و اندام چقدر حرکت میکند. اسکلتهای صلب اهرمها را در بندپایان و مهرهداران فراهم میکنند، در حالی که حیوانات نرمتن از اسکلتهای هیدرواستاتیک استفاده میکنند که در آن عضله در برابر یک حفره پر از مایع عمل میکند. در طول حرکت، ساختارهای کشسان مانند تاندونها و کوتیکول کشیده و جمع میشوند، انرژی را هنگام کاهش سرعت بدن ذخیره کرده و آن را در فشار بعدی بازمیگردانند، که انرژی مورد نیاز عضلات را کاهش میدهد. حیوانات باید بر گرانش در خشکی، کشش در آب و هوا، و اینرسی بدن خود غلبه کنند، و تعادل این نیروها با اندازه بدن تغییر میکند: از آنجا که جرم، مساحت و طول به طور متفاوتی مقیاس میشوند، حیوانات بزرگ و کوچک با محدودیتهای مکانیکی متفاوتی روبرو هستند که توسط قوانین مقیاسبندی و اصل شباهت دینامیکی که راه رفتن حیوانات با اندازههای مختلف را به هم مرتبط میکند، نشان داده میشود.
Clinical relevance
تحلیل بیومکانیکی حرکت به درک راه رفتن، بارگذاری مفاصل، و هزینه انرژی حرکت کمک میکند و الهامبخش طراحی ماشینهای پا دار و سایر ماشینهای الهامگرفته از زیستشناسی است. این مدخل یک منبع آموزشی است و نه راهنمایی پزشکی.
History
بررسی حرکت حیوانات توسط بورلی در قرن هفدهم به عنوان مکانیک، بیومکانیک را پایهگذاری کرد، و در قرن بیستم رابرت مکنیل الکساندر و دیگران اهرمها، ذخیره انرژی کشسان، و مقیاسبندی حرکت را کمیسازی کردند، در حالی که مطالعات راه رفتن و شباهت دینامیکی مکانیک حرکت را به اندازه بدن مرتبط ساختند.
Key figures
- Robert McNeill Alexander
- Knut Schmidt-Nielsen
- Giovanni Borelli
- Thomas McMahon
Related topics
Seminal works
- alexander2003
- schmidtnielsen1997
- hill2016
Frequently asked questions
- چرا برخی اندامها برای قدرت و برخی دیگر برای سرعت ساخته شدهاند؟
- هندسه عضلات و مفاصل مانند یک اهرم عمل میکند، و آرایشهایی که نیرو را به حداکثر میرسانند معمولاً سرعت و دامنه را فدا میکنند، بنابراین طراحی اندام نشاندهنده این است که آیا حیوان به قدرت نیاز دارد یا سرعت.
- تاندونها چگونه حرکت را کارآمدتر میکنند؟
- تاندونها مانند فنر عمل میکنند، انرژی را هنگام فرود یا کاهش سرعت بدن ذخیره کرده و در گام بعدی آزاد میکنند، بنابراین عضلات کار کمتری انجام میدهند و حرکت انرژی کمتری مصرف میکند.