Az állati mozgás biomechanikája

Hogyan alakul át az izomerő mozgássá: a csontvázak karjai, az energiát tároló és visszaadó rugók, valamint a mozgást formáló fizikai elvek.

Definition

Az állati mozgás biomechanikája a mozgásban részt vevő fizikai erők és struktúrák tanulmányozása – hogyan hatnak az izmok a csontvázakon és az elasztikus elemeken keresztül a gravitáció, a közegellenállás és a tehetetlenség leküzdésére, és hogyan hoznak létre koordinált mozgást – a mechanika elveinek felhasználásával elemezve.

Scope

Ez a téma az izomerőt az egész állat mozgásával összekötő mechanizmusokat tárgyalja: az izmok működését a merev és hidrosztatikus csontvázakon mint karokon, az erő és sebesség közötti kompromisszumot, az elasztikus energia tárolását és visszaadását az inakban és más szövetekben, valamint a testméret mozgásra gyakorolt hatását a skálázás és a dinamikus hasonlóság révén. Foglalkozik azokkal az erőkkel, amelyeket egy állatnak le kell küzdenie, és azokkal a szerkezeti megoldásokkal, amelyek lehetővé teszik a mozgást. A feldolgozás összehasonlító és mechanisztikus.

Core questions

• Hogyan alakítják át a csontvázak az izomerőt mozgássá?
• Hogyan egyensúlyozzák ki az állatok az erőt a sebességgel és a mozgástartománnyal?
• Hogyan tárolódik és adódik vissza az elasztikus energia a mozgás során?
• Hogyan változtatja meg a testméret a mozgás mechanikáját?

Key theories

Csontvázkarok és az erő-sebesség kompromisszum

Az ízületeken átívelő izmok olyan karként működő rendszereket alkotnak, amelyek geometriája kompromisszumot teremt a kifejtett erő, valamint az ebből eredő mozgás sebessége és tartománya között, így a végtagok arányai az állat mechanikai igényeihez igazodnak.

Elasztikus energiatárolás és dinamikus hasonlóság

Az inak és más elasztikus struktúrák energiát tárolnak és adnak vissza, hogy a mozgás gazdaságosabb legyen, és az olyan skálázási érvek, mint a dinamikus hasonlóság, megmagyarázzák, miért mozognak a különböző méretű állatok geometriailag hasonló módon.

Mechanisms

Az izmok az ízületeken keresztül tapadva karokat alkotnak, és az izom tapadási pontjának és az ízületnek a relatív helyzete határozza meg, hogy a rendszer az erőt vagy a sebességet részesíti-e előnyben, és milyen messzire mozog a végtag. A merev csontvázak biztosítják a karokat az ízeltlábúakban és a gerincesekben, míg a lágytestű állatok hidrosztatikus csontvázakat használnak, amelyekben az izom egy folyadékkal teli üreg ellen hat. A mozgás során az elasztikus struktúrák, mint például az inak és a kutikula megnyúlnak és visszarugóznak, energiát tárolva, amikor a test lassul, és visszaadva azt a következő lökés során, ami csökkenti az izmok által szolgáltatandó energiát. Az állatoknak le kell küzdeniük a gravitációt a szárazföldön, a közegellenállást vízben és levegőben, valamint saját testük tehetetlenségét, és ezen erők egyensúlya a testmérettel változik: mivel a tömeg, a felület és a hosszúság eltérően skálázódik, a nagy és kis állatok eltérő mechanikai korlátokkal szembesülnek, amit a skálázási törvények és a dinamikus hasonlóság elve rögzít, amely a különböző méretű állatok járásmódjait kapcsolja össze.

Clinical relevance

A mozgás biomechanikai elemzése hozzájárul a járás, az ízületi terhelés és a mozgás energiaszükségletének megértéséhez, és inspirálja a lábas és más bio-inspirált gépek tervezését. Ez a bejegyzés oktatási referenciaanyag, nem orvosi útmutatás.

History

Borelli tizenhetedik századi, az állati mozgást mechanikaként tárgyaló munkája alapozta meg a biomechanikát, a huszadik században pedig Robert McNeill Alexander és mások számszerűsítették a karokat, az elasztikus energiatárolást és a mozgás skálázását, míg a járás és a dinamikus hasonlóság tanulmányai a mozgás mechanikáját a testmérethez kapcsolták.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Miért vannak egyes végtagok erőre, mások sebességre építve?

Az izmok és ízületek geometriája karként működik, és az erőt maximalizáló elrendezések általában feláldozzák a sebességet és a mozgástartományt, így a végtagok kialakítása azt tükrözi, hogy egy állatnak erőre vagy gyorsaságra van-e szüksége.

Hogyan teszik hatékonyabbá az inak a mozgást?

Az inak rugóként működnek, energiát tárolnak, amikor a test földet ér vagy lassul, és felszabadítják azt a következő lépésben, így az izmok kevesebb munkát végeznek, és a mozgás kevesebb energiába kerül.