Биомеханика движений животных

Как силы, создаваемые мышцами, превращаются в движение: рычаги скелетов, пружины, которые накапливают и возвращают энергию, и физические принципы, определяющие движения животных.

Definition

Биомеханика движений животных — это исследование физических сил и структур, участвующих в локомоции — как мышцы действуют через скелеты и упругие элементы, чтобы преодолеть гравитацию, сопротивление и инерцию и произвести скоординированное движение — анализируемое с помощью принципов механики.

Scope

Эта тема охватывает механику, связывающую мышечную силу с движением всего животного: действие мышц на жесткие и гидростатические скелеты как рычаги, компромисс между силой и скоростью, накопление и возврат упругой энергии в сухожилиях и других тканях, а также влияние размера тела на движение через масштабирование и динамическое подобие. В ней рассматриваются силы, которые животное должно преодолевать, и структурные решения, которые делают движение возможным. Охват является сравнительным и механистическим.

Core questions

• Как скелеты превращают мышечную силу в движение?
• Как животные балансируют между силой, скоростью и диапазоном движения?
• Как упругая энергия накапливается и возвращается во время локомоции?
• Как размер тела изменяет механику движения?

Key theories

Скелетные рычаги и компромисс между силой и скоростью

Мышцы, действующие через суставы, образуют рычажные системы, геометрия которых устанавливает компромисс между прилагаемой силой и скоростью и диапазоном результирующего движения, поэтому пропорции конечностей настраиваются в соответствии с механическими потребностями животного.

Накопление упругой энергии и динамическое подобие

Сухожилия и другие эластичные структуры накапливают и возвращают энергию, чтобы сделать локомоцию более экономичной, а аргументы масштабирования, такие как динамическое подобие, объясняют, почему животные разных размеров движутся геометрически сопоставимыми способами.

Mechanisms

Мышцы прикрепляются через суставы, образуя рычаги, и относительное положение места прикрепления мышцы и сустава определяет, благоприятствует ли система силе или скорости, и насколько далеко движется конечность. Жесткие скелеты обеспечивают рычаги у членистоногих и позвоночных, в то время как мягкотелые животные используют гидростатические скелеты, в которых мышцы действуют против заполненной жидкостью полости. Во время локомоции эластичные структуры, такие как сухожилия и кутикула, растягиваются и сокращаются, накапливая энергию при замедлении тела и возвращая ее во время следующего толчка, что снижает количество энергии, которое должны затрачивать мышцы. Животные должны преодолевать гравитацию на суше, сопротивление в воде и воздухе, а также инерцию своих собственных тел, и баланс этих сил меняется с размером тела: поскольку масса, площадь и длина масштабируются по-разному, крупные и мелкие животные сталкиваются с различными механическими ограничениями, что отражено в законах масштабирования и принципе динамического подобия, который связывает походки животных разных размеров.

Clinical relevance

Биомеханический анализ движения способствует пониманию походки, нагрузки на суставы и энергетических затрат на локомоцию, а также вдохновляет на разработку шагающих и других биоинспирированных машин. Эта запись является образовательным справочным материалом, а не медицинским руководством.

History

Трактат Борелли XVII века о движении животных как механике заложил основы биомеханики, а в XX веке Роберт МакНил Александр и другие количественно оценили рычаги, накопление упругой энергии и масштабирование локомоции, в то время как исследования походки и динамического подобия связали механику движения с размером тела.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Почему одни конечности созданы для силы, а другие для скорости?

Геометрия мышц и суставов действует как рычаг, и механизмы, максимизирующие силу, обычно жертвуют скоростью и диапазоном, поэтому конструкция конечностей отражает, нужна ли животному сила или быстрота.

Как сухожилия делают движение более эффективным?

Сухожилия действуют как пружины, накапливая энергию, когда тело приземляется или замедляется, и высвобождая ее при следующем шаге, так что мышцы выполняют меньше работы, а локомоция требует меньше энергии.