Eläinten liikkumisen biomekaniikka

Miten lihasten tuottamat voimat muuttuvat liikkeeksi: luuston vivut, energiaa varastoivat ja vapauttavat jouset sekä fysiikka, joka muokkaa eläinten liikkumista.

Definition

Eläinten liikkumisen biomekaniikka on liikkumiseen liittyvien fyysisten voimien ja rakenteiden tutkimusta – miten lihakset toimivat luurankojen ja elastisten elementtien kautta voittaakseen painovoiman, vastuksen ja inertian ja tuottaakseen koordinoitua liikettä – analysoituna mekaniikan periaatteilla.

Scope

Tämä aihe kattaa mekaniikan, joka yhdistää lihasvoiman koko eläimen liikkeeseen: lihasten toiminnan jäykissä ja hydrostaattisissa luurangoissa vipuina, voiman ja nopeuden välinen kompromissi, elastisen energian varastointi ja vapautuminen jänteissä ja muissa kudoksissa sekä ruumiinkoon vaikutus liikkeeseen skaalauksen ja dynaamisen samankaltaisuuden kautta. Se käsittelee voimia, jotka eläimen on voitettava, ja rakenteellisia ratkaisuja, jotka mahdollistavat liikkumisen. Käsittely on vertailevaa ja mekanistista.

Core questions

• Miten luurangot muuttavat lihasvoiman liikkeeksi?
• Miten eläimet tasapainottavat voimaa nopeuden ja liikeradan suhteen?
• Miten elastista energiaa varastoidaan ja vapautetaan liikkumisen aikana?
• Miten ruumiinkoko muuttaa liikkumisen mekaniikkaa?

Key theories

Luuston vivut ja voima–nopeus-kompromissi

Nivelten yli vaikuttavat lihakset muodostavat vipujärjestelmiä, joiden geometria asettaa kompromissin kohdistetun voiman sekä syntyvän liikkeen nopeuden ja laajuuden välille, joten raajojen mittasuhteet on sovitettu eläimen mekaanisiin vaatimuksiin.

Elastisen energian varastointi ja dynaaminen samankaltaisuus

Jänteet ja muut elastiset rakenteet varastoivat ja vapauttavat energiaa tehdäkseen liikkumisesta taloudellisempaa, ja skaalausargumentit, kuten dynaaminen samankaltaisuus, selittävät, miksi erikokoiset eläimet liikkuvat geometrisesti vertailukelpoisilla tavoilla.

Mechanisms

Lihakset kiinnittyvät nivelten yli muodostaen vipuja, ja lihaksen kiinnityskohdan ja nivelen suhteelliset sijainnit määräävät, suosiiko järjestelmä voimaa vai nopeutta ja kuinka pitkälle raaja liikkuu. Jäykät luurangot tarjoavat vivut niveljalkaisilla ja selkärankaisilla, kun taas pehmeävartaloiset eläimet käyttävät hydrostaattisia luurankoja, joissa lihas vaikuttaa nesteen täyttämään onteloon. Liikkumisen aikana elastiset rakenteet, kuten jänteet ja kutikula, venyvät ja palautuvat, varastoiden energiaa kehon hidastuessa ja vapauttaen sen seuraavan työnnön aikana, mikä vähentää lihasten tarvitsemaa energiamäärää. Eläinten on voitettava painovoima maalla, vastus vedessä ja ilmassa sekä oman kehonsa inertia, ja näiden voimien tasapaino muuttuu ruumiinkoon mukaan: koska massa, pinta-ala ja pituus skaalautuvat eri tavoin, suuret ja pienet eläimet kohtaavat erilaisia mekaanisia rajoituksia, jotka kuvataan skaalauslaeilla ja dynaamisen samankaltaisuuden periaatteella, joka yhdistää erikokoisten eläinten askellukset.

Clinical relevance

Liikkumisen biomekaaninen analyysi syventää ymmärrystä askelluksesta, nivelten kuormituksesta ja liikkumisen energiankulutuksesta sekä inspiroi jalkaisten ja muiden bioinspiroitujen koneiden suunnittelua. Tämä artikkeli on opetus- ja viitemateriaalia, ei lääketieteellistä ohjeistusta.

History

Borellin 1600-luvun käsitys eläinten liikkumisesta mekaniikkana perusti biomekaniikan, ja 1900-luvulla Robert McNeill Alexander ja muut kvantifioivat vipuja, elastisen energian varastointia ja liikkumisen skaalausta, kun taas askelluksen ja dynaamisen samankaltaisuuden tutkimukset yhdistivät liikkumisen mekaniikan ruumiinkokoon.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Miksi jotkut raajat on rakennettu voimaa ja toiset nopeutta varten?

Lihasten ja nivelten geometria toimii vivun tavoin, ja järjestelyt, jotka maksimoivat voiman, uhraavat yleensä nopeuden ja liikeradan, joten raajan muotoilu heijastaa sitä, tarvitseeko eläin voimaa vai nopeutta.

Miten jänteet tekevät liikkumisesta tehokkaampaa?

Jänteet toimivat jousien tavoin, varastoiden energiaa kehon laskeutuessa tai hidastuessa ja vapauttaen sen seuraavalla askeleella, jolloin lihakset tekevät vähemmän työtä ja liikkuminen kuluttaa vähemmän energiaa.