Biomecanica mișcării animale

Cum forțele generate de un mușchi devin mișcare: pârghiile scheletelor, arcurile care stochează și eliberează energie și fizica ce modelează modul în care se mișcă animalele.

Definition

Biomecanica mișcării animale este studiul forțelor fizice și structurilor implicate în locomoție — modul în care mușchii acționează prin schelete și elemente elastice pentru a depăși gravitația, rezistența și inerția și a produce mișcare coordonată — analizată cu principiile mecanicii.

Scope

Acest subiect acoperă mecanica ce leagă forța musculară de mișcarea întregului animal: acțiunea mușchilor asupra scheletelor rigide și hidrostatice ca pârghii, compromisul dintre forță și viteză, stocarea și eliberarea energiei elastice în tendoane și alte țesuturi și influența dimensiunii corpului asupra mișcării prin scalare și similitudine dinamică. Tratează forțele pe care un animal trebuie să le depășească și soluțiile structurale care fac posibilă mișcarea. Abordarea este comparativă și mecanicistă.

Core questions

• Cum transformă scheletele forța musculară în mișcare?
• Cum fac animalele compromisul între forță, viteză și amplitudinea mișcării?
• Cum este stocată și eliberată energia elastică în timpul locomoției?
• Cum modifică dimensiunea corpului mecanica mișcării?

Key theories

Pârghiile scheletice și compromisul forță–viteză

Mușchii care acționează peste articulații formează sisteme de pârghii a căror geometrie stabilește un compromis între forța exercitată și viteza și amplitudinea mișcării rezultante, astfel încât proporțiile membrelor sunt adaptate cerințelor mecanice ale unui animal.

Stocarea energiei elastice și similitudinea dinamică

Tendoanele și alte structuri elastice stochează și eliberează energie pentru a face locomoția mai economică, iar argumentele de scalare, cum ar fi similitudinea dinamică, explică de ce animalele de diferite dimensiuni se mișcă în moduri geometric comparabile.

Mechanisms

Mușchii se atașează peste articulații pentru a forma pârghii, iar pozițiile relative ale inserției musculare și ale articulației determină dacă sistemul favorizează forța sau viteza și cât de mult se mișcă membrul. Scheletele rigide asigură pârghiile la artropode și vertebrate, în timp ce animalele cu corp moale utilizează schelete hidrostatice în care mușchiul acționează împotriva unei cavități pline cu fluid. În timpul locomoției, structurile elastice precum tendoanele și cuticula se întind și se retractă, stocând energie atunci când corpul decelerează și eliberând-o în timpul următoarei împingeri, ceea ce reduce energia pe care mușchii trebuie să o furnizeze. Animalele trebuie să depășească gravitația pe uscat, rezistența în apă și aer și inerția propriilor corpuri, iar echilibrul acestor forțe se modifică odată cu dimensiunea corpului: deoarece masa, suprafața și lungimea se scalează diferit, animalele mari și mici se confruntă cu constrângeri mecanice diferite, surprinse de legile de scalare și de principiul similitudinii dinamice care leagă mersul animalelor de diferite dimensiuni.

Clinical relevance

Analiza biomecanică a mișcării contribuie la înțelegerea mersului, a încărcării articulațiilor și a costului energetic al locomoției și inspiră proiectarea mașinilor cu picioare și a altor mașini bio-inspirate. Această intrare este material de referință educațional, nu ghid medical.

History

Tratatul lui Borelli din secolul al XVII-lea despre mișcarea animală ca mecanică a fondat biomecanica, iar în secolul al XX-lea Robert McNeill Alexander și alții au cuantificat pârghiile, stocarea energiei elastice și scalarea locomoției, în timp ce studiile despre mers și similitudinea dinamică au legat mecanica mișcării de dimensiunea corpului.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

De ce unele membre sunt construite pentru forță și altele pentru viteză?

Geometria mușchilor și a articulațiilor acționează ca o pârghie, iar aranjamentele care maximizează forța sacrifică de obicei viteza și amplitudinea, astfel încât designul membrelor reflectă dacă un animal are nevoie de forță sau de agilitate.

Cum fac tendoanele mișcarea mai eficientă?

Tendoanele acționează ca niște arcuri, stocând energie atunci când corpul aterizează sau decelerează și eliberând-o în pasul următor, astfel încât mușchii depun mai puțin efort și locomoția costă mai puțină energie.