Biomeccanica del movimento animale

Come le forze prodotte da un muscolo si trasformano in movimento: le leve scheletriche, le molle che immagazzinano e restituiscono energia, e la fisica che modella il modo in cui gli animali si muovono.

Definition

La biomeccanica del movimento animale è lo studio delle forze fisiche e delle strutture coinvolte nella locomozione — come i muscoli agiscono attraverso scheletri ed elementi elastici per superare gravità, attrito e inerzia e produrre un movimento coordinato — analizzato con i principi della meccanica.

Scope

Questo argomento tratta la meccanica che collega la forza muscolare al movimento dell'intero animale: l'azione dei muscoli su scheletri rigidi e idrostatici come leve, il compromesso tra forza e velocità, l'immagazzinamento e la restituzione di energia elastica nei tendini e in altri tessuti, e l'influenza delle dimensioni corporee sul movimento attraverso il "scaling" e la similarità dinamica. Tratta le forze che un animale deve superare e le soluzioni strutturali che rendono possibile il movimento. La trattazione è comparativa e meccanicistica.

Core questions

• Come gli scheletri trasformano la forza muscolare in movimento?
• Come gli animali bilanciano forza, velocità e ampiezza di movimento?
• Come viene immagazzinata e restituita l'energia elastica durante la locomozione?
• Come le dimensioni corporee modificano la meccanica del movimento?

Key theories

Leve scheletriche e il compromesso forza-velocità

I muscoli che agiscono attraverso le articolazioni formano sistemi di leve la cui geometria stabilisce un compromesso tra la forza esercitata e la velocità e l'ampiezza del movimento risultante, quindi le proporzioni degli arti sono adattate alle esigenze meccaniche di un animale.

Immagazzinamento di energia elastica e similarità dinamica

Tendini e altre strutture elastiche immagazzinano e restituiscono energia per rendere la locomozione più economica, e argomentazioni di "scaling" come la similarità dinamica spiegano perché animali di diverse dimensioni si muovono in modi geometricamente comparabili.

Mechanisms

I muscoli si attaccano attraverso le articolazioni per formare leve, e le posizioni relative dell'inserzione muscolare e dell'articolazione determinano se il sistema favorisce la forza o la velocità e quanto lontano si muove l'arto. Gli scheletri rigidi forniscono le leve negli artropodi e nei vertebrati, mentre gli animali a corpo molle utilizzano scheletri idrostatici in cui il muscolo agisce contro una cavità piena di fluido. Durante la locomozione, strutture elastiche come i tendini e la cuticola si allungano e si ritraggono, immagazzinando energia quando il corpo decelera e restituendola durante la spinta successiva, il che riduce l'energia che i muscoli devono fornire. Gli animali devono superare la gravità sulla terra, la resistenza nell'acqua e nell'aria, e l'inerzia dei propri corpi, e l'equilibrio di queste forze cambia con le dimensioni corporee: poiché massa, area e lunghezza scalano in modo diverso, animali grandi e piccoli affrontano vincoli meccanici diversi, catturati dalle leggi di "scaling" e dal principio di similarità dinamica che mette in relazione le andature di animali di diverse dimensioni.

Clinical relevance

L'analisi biomeccanica del movimento informa la comprensione dell'andatura, del carico articolare e del costo energetico della locomozione e ispira la progettazione di macchine a gambe e altre macchine bio-ispirate. Questa voce è materiale di riferimento educativo piuttosto che una guida medica.

History

Il trattato di Borelli del XVII secolo sul movimento animale come meccanica ha fondato la biomeccanica, e nel XX secolo Robert McNeill Alexander e altri hanno quantificato leve, immagazzinamento di energia elastica e lo "scaling" della locomozione, mentre studi sull'andatura e sulla similarità dinamica hanno messo in relazione la meccanica del movimento con le dimensioni corporee.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Perché alcuni arti sono costruiti per la potenza e altri per la velocità?

La geometria dei muscoli e delle articolazioni agisce come una leva, e le configurazioni che massimizzano la forza di solito sacrificano la velocità e l'ampiezza, quindi il design degli arti riflette se un animale ha bisogno di forza o rapidità.

Come i tendini rendono il movimento più efficiente?

I tendini agiscono come molle, immagazzinando energia quando il corpo atterra o decelera e rilasciandola nel passo successivo, in modo che i muscoli facciano meno lavoro e la locomozione costi meno energia.