Biomecânica do Movimento Animal

Como as forças geradas por um músculo se transformam em movimento: as alavancas dos esqueletos, as molas que armazenam e devolvem energia, e a física que molda como os animais se movem.

Definition

A biomecânica do movimento animal é o estudo das forças físicas e estruturas envolvidas na locomoção — como os músculos atuam através de esqueletos e elementos elásticos para superar a gravidade, o arrasto e a inércia, e produzir movimento coordenado — analisada com os princípios da mecânica.

Scope

Este tópico aborda a mecânica que liga a força muscular ao movimento do animal como um todo: a ação dos músculos em esqueletos rígidos e hidrostáticos como alavancas, a relação de compromisso entre força e velocidade, o armazenamento e a devolução de energia elástica em tendões e outros tecidos, e a influência do tamanho corporal no movimento através de escalonamento e similaridade dinâmica. Trata das forças que um animal deve superar e das soluções estruturais que tornam o movimento possível. A cobertura é comparativa e mecanicista.

Core questions

• Como os esqueletos transformam a força muscular em movimento?
• Como os animais equilibram a força com a velocidade e a amplitude de movimento?
• Como a energia elástica é armazenada e devolvida durante a locomoção?
• Como o tamanho corporal altera a mecânica do movimento?

Key theories

Alavancas esqueléticas e a relação de compromisso força-velocidade

Os músculos que atuam nas articulações formam sistemas de alavancas cuja geometria estabelece um compromisso entre a força exercida e a velocidade e amplitude do movimento resultante, de modo que as proporções dos membros são ajustadas às demandas mecânicas de um animal.

Armazenamento de energia elástica e similaridade dinâmica

Tendões e outras estruturas elásticas armazenam e devolvem energia para tornar a locomoção mais económica, e argumentos de escalonamento, como a similaridade dinâmica, explicam por que animais de diferentes tamanhos se movem de maneiras geometricamente comparáveis.

Mechanisms

Os músculos ligam-se através das articulações para formar alavancas, e as posições relativas da inserção muscular e da articulação determinam se o sistema favorece a força ou a velocidade e quão longe o membro se move. Esqueletos rígidos fornecem as alavancas em artrópodes e vertebrados, enquanto animais de corpo mole usam esqueletos hidrostáticos nos quais o músculo atua contra uma cavidade cheia de fluido. Durante a locomoção, estruturas elásticas como tendões e a cutícula esticam e recuam, armazenando energia quando o corpo desacelera e devolvendo-a durante o próximo impulso, o que reduz a energia que os músculos devem fornecer. Os animais devem superar a gravidade em terra, o arrasto na água e no ar, e a inércia de seus próprios corpos, e o equilíbrio dessas forças muda com o tamanho corporal: como a massa, a área e o comprimento escalam de forma diferente, animais grandes e pequenos enfrentam diferentes restrições mecânicas, capturadas pelas leis de escalonamento e pelo princípio da similaridade dinâmica que relaciona os andares de animais de diferentes tamanhos.

Clinical relevance

A análise biomecânica do movimento informa a compreensão da marcha, do carregamento articular e do custo energético da locomoção, e inspira o design de máquinas com pernas e outras máquinas bioinspiradas. Esta entrada é material de referência educacional, e não orientação médica.

History

O tratamento de Borelli no século XVII do movimento animal como mecânica fundou a biomecânica, e no século XX Robert McNeill Alexander e outros quantificaram alavancas, armazenamento de energia elástica e o escalonamento da locomoção, enquanto estudos de marcha e similaridade dinâmica relacionaram a mecânica do movimento ao tamanho corporal.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Por que alguns membros são construídos para potência e outros para velocidade?

A geometria dos músculos e articulações atua como uma alavanca, e arranjos que maximizam a força geralmente sacrificam a velocidade e a amplitude, então o design dos membros reflete se um animal precisa de força ou rapidez.

Como os tendões tornam o movimento mais eficiente?

Os tendões atuam como molas, armazenando energia quando o corpo aterra ou desacelera e libertando-a no próximo passo, de modo que os músculos fazem menos trabalho e a locomoção custa menos energia.