شیوههای حرکت و کارایی
چرا شنا، پرواز و دویدن هر یک فیزیک و هزینه انرژی خاص خود را دارند و چه چیزی یک شیوه جابجایی را ارزانتر از دیگری میکند.
Definition
شیوههای حرکت، روشهای متمایزی هستند که حیوانات خود را به جلو میرانند — عمدتاً شنا، پرواز و حرکت زمینی — و کارایی حرکتی، میزان اقتصادی بودن هر شیوه در جابجایی یک حیوان است که معمولاً به عنوان هزینه حمل و نقل بیان میشود، یعنی انرژی مورد نیاز برای حمل یک واحد جرم بدن در یک واحد مسافت.
Scope
این موضوع شیوههای اصلی حرکت حیوانات و کارایی انرژیزای آنها را پوشش میدهد: شنا و کشش حرکت در آب، پرواز و تولید نیروی بالابرنده، حرکت زمینی و استفاده از گامها، و مقایسه این شیوهها از طریق هزینه حمل و نقل. این موضوع به این میپردازد که چگونه محیط، اندازه بدن و سرعت، انرژی مورد نیاز برای طی کردن یک مسافت معین را تعیین میکنند و چرا هر شیوه تحت شرایط خاص خود کارآمد است. پوشش این موضوع مقایسهای و مکانیکی است.
Core questions
- چه نیروهای فیزیکی بر شنا، پرواز و دویدن غالب هستند؟
- کارایی انرژیزای حرکت چگونه اندازهگیری و مقایسه میشود؟
- چرا حیوانات در سرعتهای مختلف از گامهای متفاوتی استفاده میکنند؟
- چگونه محیط و اندازه بدن تعیین میکنند که کدام شیوه حرکت ارزانترین است؟
Key theories
- هزینه حمل و نقل در شیوههای حرکتی مختلف
- انرژی لازم برای جابجایی یک واحد جرم بدن در یک واحد مسافت، به طور سیستماتیک بین شنا، پرواز و دویدن متفاوت است، به طوری که شنا معمولاً ارزانترین و دویدن گرانترین به ازای هر مسافت است، و در هر شیوه با افزایش اندازه بدن کاهش مییابد.
- انتخاب گام بر اساس اقتصاد
- حیوانات زمینی بین گامهایی مانند راه رفتن، یورتمه رفتن و چهارنعل رفتن در سرعتهایی که هر کدام اقتصادیترین میشوند، تغییر میکنند، که نشاندهنده تغییر مکانیک و مصرف انرژی حرکت با سرعت است.
Mechanisms
هر شیوه حرکت با نیروهای متفاوتی دست و پنجه نرم میکند. شناگران باید بر کشش و چگالی آب غلبه کنند و با موجدار کردن بدن یا استفاده از اندامهای حرکتی، نیروی رانش تولید کنند و به دلیل اینکه آب وزن آنها را تحمل میکند، به هزینه حمل و نقل پایینی دست مییابند. پرندگان باید نیروی بالابرنده تولید کنند تا در هوا بمانند و همچنین نیروی رانش برای حرکت به جلو، که پرواز را قدرتمند اما، به ازای هر مسافت، برای حیواناتی که مسافتهای طولانی را طی میکنند، نسبتاً اقتصادی میسازد. حیوانات زمینی وزن خود را در برابر گرانش تحمل میکنند و اندامها و بدن خود را با هر گام شتاب و کاهش سرعت میدهند، که دویدن را نسبتاً پرهزینه میکند، اگرچه ذخیره انرژی کشسان و انتخاب گام، هزینه را کاهش میدهد. مقایسه شیوهها با هزینه حمل و نقل نشان میدهد که برای یک اندازه بدن معین، شنا معمولاً ارزانترین و دویدن گرانترین است، و حیوانات بزرگتر به ازای هر واحد جرم در هر شیوه اقتصادیتر حرکت میکنند. این الگوها توضیح میدهند که چرا حیوانات با محیطهای خاص و مسافتهای سفر سازگار شدهاند.
Clinical relevance
مطالعه تطبیقی کارایی حرکتی به درک هزینه انرژیزای حرکت، گام و ورزش کمک میکند و طراحی وسایل نقلیه و رباتهای کارآمد را هدایت میکند. این مدخل یک منبع آموزشی است و راهنمایی پزشکی ارائه نمیدهد.
History
اندازهگیریهای اشمیت-نیلسن و تیلور از هزینه انرژی حرکت در حیوانات و شیوههای مختلف، چارچوب هزینه حمل و نقل را ایجاد کرد، مطالعات تاکر در مورد انرژی پرواز، هزینه پرواز را کمیسازی کرد، و تحلیلهای الکساندر در مورد گام و شباهت دینامیکی توضیح داد که چرا حیوانات به شیوهای که حرکت میکنند، حرکت میکنند.
Key figures
- Knut Schmidt-Nielsen
- Robert McNeill Alexander
- Charles Richard Taylor
- Vance Tucker
Related topics
Seminal works
- schmidtnielsen1997
- alexander2003
- hill2016
Frequently asked questions
- کدام شیوه جابجایی از نظر انرژی کارآمدتر است؟
- برای یک اندازه بدن معین، شنا معمولاً کمترین هزینه حمل و نقل را دارد زیرا آب وزن حیوان را تحمل میکند، در حالی که دویدن به ازای هر مسافت طی شده گرانترین است.
- چرا حیوانات با افزایش سرعت، گام خود را تغییر میدهند؟
- هر گام در یک محدوده سرعت خاص اقتصادیترین است، بنابراین حیوانات از راه رفتن به یورتمه رفتن و سپس به چهارنعل رفتن در نقاطی که گام جدید انرژی کمتری مصرف میکند، تغییر میکنند.