Dzīvnieku kustību biomehānika

Kā muskuļu radītie spēki pārvēršas kustībā: skeletu sviras, atsperes, kas uzglabā un atdod enerģiju, un fizika, kas nosaka dzīvnieku kustību.

Definition

Dzīvnieku kustību biomehānika ir pētījums par fiziskajiem spēkiem un struktūrām, kas iesaistītas pārvietošanās procesā — kā muskuļi caur skeletiem un elastīgiem elementiem pārvar gravitāciju, pretestību un inerci un rada koordinētu kustību —, analizēts ar mehānikas principiem.

Scope

Šī tēma aptver mehāniku, kas saista muskuļu spēku ar visa dzīvnieka kustību: muskuļu darbību uz cietiem un hidrostatiskajiem skeletiem kā svirām, spēka un ātruma kompromisu, elastīgās enerģijas uzglabāšanu un atgriešanu cīpslās un citos audos, kā arī ķermeņa izmēra ietekmi uz kustību, izmantojot mērogošanu un dinamisko līdzību. Tā aplūko spēkus, kas dzīvniekam jāpārvar, un strukturālos risinājumus, kas padara kustību iespējamu. Pārklājums ir salīdzinošs un mehānisks.

Core questions

• Kā skeleti pārvērš muskuļu spēku kustībā?
• Kā dzīvnieki līdzsvaro spēku ar ātrumu un kustību diapazonu?
• Kā elastīgā enerģija tiek uzglabāta un atgriezta pārvietošanās laikā?
• Kā ķermeņa izmērs maina kustības mehāniku?

Key theories

Skeleta sviras un spēka–ātruma kompromiss

Muskuļi, kas darbojas pāri locītavām, veido sviru sistēmas, kuru ģeometrija nosaka kompromisu starp pielikto spēku un iegūtās kustības ātrumu un diapazonu, tāpēc ekstremitāšu proporcijas tiek pielāgotas dzīvnieka mehāniskajām prasībām.

Elastīgās enerģijas uzglabāšana un dinamiskā līdzība

Cīpslas un citas elastīgās struktūras uzglabā un atdod enerģiju, lai padarītu pārvietošanos ekonomiskāku, un mērogošanas argumenti, piemēram, dinamiskā līdzība, izskaidro, kāpēc dažāda izmēra dzīvnieki pārvietojas ģeometriski salīdzināmos veidos.

Mechanisms

Muskuļi piestiprinās pāri locītavām, veidojot sviras, un muskuļu piestiprināšanās vietas un locītavas relatīvās pozīcijas nosaka, vai sistēma dod priekšroku spēkam vai ātrumam un cik tālu kustas ekstremitāte. Cietie skeleti nodrošina sviras posmkājiem un mugurkaulniekiem, savukārt mīkstmieši izmanto hidrostatiskos skeletus, kuros muskulis darbojas pret šķidruma pildītu dobumu. Pārvietošanās laikā elastīgās struktūras, piemēram, cīpslas un kutikula, izstiepjas un saraujas, uzglabājot enerģiju, kad ķermenis palēnina kustību, un atdodot to nākamā grūdiena laikā, kas samazina muskuļu piegādājamās enerģijas daudzumu. Dzīvniekiem jāpārvar gravitācija uz sauszemes, pretestība ūdenī un gaisā, kā arī pašu ķermeņa inerce, un šo spēku līdzsvars mainās atkarībā no ķermeņa izmēra: tā kā masa, laukums un garums mērogojas atšķirīgi, lieli un mazi dzīvnieki saskaras ar dažādiem mehāniskiem ierobežojumiem, ko atspoguļo mērogošanas likumi un dinamiskās līdzības princips, kas saista dažāda izmēra dzīvnieku gaitu.

Clinical relevance

Kustības biomehāniskā analīze sniedz ieskatu gaitas, locītavu slodzes un pārvietošanās enerģētiskās izmaksas izpratnē un iedvesmo kājainu un citu bio-iedvesmotu mašīnu projektēšanu. Šis ieraksts ir izglītojošs atsauces materiāls, nevis medicīnisks norādījums.

History

Borelli septiņpadsmitā gadsimta dzīvnieku kustību aplūkošana kā mehānika lika pamatus biomehānikai, un divdesmitajā gadsimtā Roberts Maknīls Aleksandrs (Robert McNeill Alexander) un citi kvantificēja sviras, elastīgās enerģijas uzglabāšanu un pārvietošanās mērogošanu, savukārt gaitas un dinamiskās līdzības pētījumi saistīja kustības mehāniku ar ķermeņa izmēru.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Kāpēc dažas ekstremitātes ir veidotas spēkam, bet citas ātrumam?

Muskuļu un locītavu ģeometrija darbojas kā svira, un izkārtojumi, kas maksimizē spēku, parasti upurē ātrumu un diapazonu, tāpēc ekstremitātes dizains atspoguļo, vai dzīvniekam ir nepieciešams spēks vai ātrums.

Kā cīpslas padara kustību efektīvāku?

Cīpslas darbojas kā atsperes, uzglabājot enerģiju, kad ķermenis piezemējas vai palēnina kustību, un atbrīvojot to nākamajā solī, tādējādi muskuļi veic mazāk darba un pārvietošanās prasa mazāk enerģijas.