Biomechanica van dierenbeweging

Hoe spierkracht beweging wordt: de hefbomen van skeletten, de veren die energie opslaan en teruggeven, en de fysica die de manier waarop dieren bewegen vormgeeft.

Definition

Biomechanica van dierenbeweging is de studie van de fysische krachten en structuren die betrokken zijn bij voortbeweging — hoe spieren via skeletten en elastische elementen zwaartekracht, weerstand en inertie overwinnen en gecoördineerde beweging produceren — geanalyseerd met de principes van de mechanica.

Scope

Dit onderwerp behandelt de mechanica die spierkracht koppelt aan de beweging van het hele dier: de werking van spieren op rigide en hydrostatische skeletten als hefbomen, de afweging tussen kracht en snelheid, de opslag en teruggave van elastische energie in pezen en andere weefsels, en de invloed van lichaamsgrootte op beweging door schaling en dynamische gelijkenis. Het behandelt de krachten die een dier moet overwinnen en de structurele oplossingen die beweging mogelijk maken. De benadering is vergelijkend en mechanistisch.

Core questions

• Hoe zetten skeletten spierkracht om in beweging?
• Hoe wegen dieren kracht af tegen snelheid en bewegingsbereik?
• Hoe wordt elastische energie opgeslagen en teruggegeven tijdens voortbeweging?
• Hoe verandert lichaamsgrootte de mechanica van beweging?

Key theories

Skeletale hefbomen en de kracht-snelheid afweging

Spieren die over gewrichten werken, vormen hefboomsystemen waarvan de geometrie een afweging bepaalt tussen de uitgeoefende kracht en de snelheid en het bereik van de resulterende beweging, zodat ledemaatproporties zijn afgestemd op de mechanische eisen van een dier.

Opslag van elastische energie en dynamische gelijkenis

Pezen en andere elastische structuren slaan energie op en geven deze terug om voortbeweging economischer te maken, en schaalargumenten zoals dynamische gelijkenis verklaren waarom dieren van verschillende groottes op geometrisch vergelijkbare manieren bewegen.

Mechanisms

Spieren hechten over gewrichten aan om hefbomen te vormen, en de relatieve posities van de spieraanhechting en het gewricht bepalen of het systeem kracht of snelheid bevoordeelt en hoe ver het ledemaat beweegt. Rigide skeletten leveren de hefbomen bij geleedpotigen en gewervelden, terwijl weekdieren hydrostatische skeletten gebruiken waarin spieren werken tegen een met vloeistof gevulde holte. Tijdens voortbeweging rekken en veren elastische structuren zoals pezen en de cuticula, waarbij ze energie opslaan wanneer het lichaam vertraagt en deze teruggeven tijdens de volgende afzet, wat de energie vermindert die spieren moeten leveren. Dieren moeten zwaartekracht op land, weerstand in water en lucht, en de inertie van hun eigen lichaam overwinnen, en de balans van deze krachten verandert met de lichaamsgrootte: omdat massa, oppervlakte en lengte anders schalen, worden grote en kleine dieren geconfronteerd met verschillende mechanische beperkingen, vastgelegd door schaalwetten en het principe van dynamische gelijkenis dat de gangen van dieren van verschillende groottes relateert.

Clinical relevance

De biomechanische analyse van beweging draagt bij aan het begrip van gang, gewrichtsbelasting en de energetische kosten van voortbeweging en inspireert het ontwerp van looprobots en andere bio-geïnspireerde machines. Deze bijdrage is educatief referentiemateriaal en geen medisch advies.

History

Borelli's zeventiende-eeuwse behandeling van dierenbeweging als mechanica legde de basis voor de biomechanica, en in de twintigste eeuw kwantificeerden Robert McNeill Alexander en anderen hefbomen, opslag van elastische energie en de schaling van voortbeweging, terwijl studies naar gang en dynamische gelijkenis de mechanica van beweging relateerden aan lichaamsgrootte.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Waarom zijn sommige ledematen gebouwd voor kracht en andere voor snelheid?

De geometrie van spieren en gewrichten werkt als een hefboom, en arrangementen die kracht maximaliseren, offeren meestal snelheid en bereik op, dus het ontwerp van ledematen weerspiegelt of een dier kracht of snelheid nodig heeft.

Hoe maken pezen beweging efficiënter?

Pezen werken als veren, slaan energie op wanneer het lichaam landt of vertraagt en geven deze vrij bij de volgende stap, zodat de spieren minder werk verrichten en voortbeweging minder energie kost.