Biomechanika pohybu zvierat

Ako sa svalová sila mení na pohyb: páky kostier, pružiny, ktoré ukladajú a vracajú energiu, a fyzika, ktorá formuje pohyb zvierat.

Definition

Biomechanika pohybu zvierat je štúdium fyzikálnych síl a štruktúr zapojených do lokomócie – ako svaly pôsobia prostredníctvom kostier a elastických prvkov na prekonanie gravitácie, odporu a zotrvačnosti a produkujú koordinovaný pohyb – analyzované princípmi mechaniky.

Scope

Táto téma sa zaoberá mechanikou, ktorá spája svalovú silu s pohybom celého zvieraťa: pôsobenie svalov na tuhé a hydrostatické kostry ako páky, kompromis medzi silou a rýchlosťou, ukladanie a vracanie elastickej energie v šľachách a iných tkanivách a vplyv veľkosti tela na pohyb prostredníctvom škálovania a dynamickej podobnosti. Zaoberá sa silami, ktoré musí zviera prekonať, a štrukturálnymi riešeniami, ktoré umožňujú pohyb. Pokrytie je komparatívne a mechanistické.

Core questions

• Ako kostry premieňajú svalovú silu na pohyb?
• Ako zvieratá vyvažujú silu oproti rýchlosti a rozsahu pohybu?
• Ako sa elastická energia ukladá a vracia počas lokomócie?
• Ako veľkosť tela mení mechaniku pohybu?

Key theories

Kostrové páky a kompromis medzi silou a rýchlosťou

Svaly pôsobiace cez kĺby tvoria pákové systémy, ktorých geometria stanovuje kompromis medzi vyvinutou silou a rýchlosťou a rozsahom výsledného pohybu, takže proporcie končatín sú prispôsobené mechanickým požiadavkám zvieraťa.

Ukladanie elastickej energie a dynamická podobnosť

Šľachy a iné elastické štruktúry ukladajú a vracajú energiu, aby bola lokomócia ekonomickejšia, a škálovacie argumenty, ako je dynamická podobnosť, vysvetľujú, prečo sa zvieratá rôznych veľkostí pohybujú geometricky porovnateľným spôsobom.

Mechanisms

Svaly sa upínajú cez kĺby a tvoria páky, pričom relatívne polohy svalového úponu a kĺbu určujú, či systém uprednostňuje silu alebo rýchlosť a ako ďaleko sa končatina pohybuje. Tuhé kostry poskytujú páky u článkonožcov a stavovcov, zatiaľ čo mäkké zvieratá používajú hydrostatické kostry, v ktorých sval pôsobí proti dutine naplnenej tekutinou. Počas lokomócie sa elastické štruktúry, ako sú šľachy a kutikula, naťahujú a sťahujú, ukladajú energiu, keď sa telo spomaľuje, a vracajú ju počas ďalšieho odrazu, čo znižuje energiu, ktorú musia svaly dodávať. Zvieratá musia prekonávať gravitáciu na súši, odpor vo vode a vzduchu a zotrvačnosť vlastného tela, pričom rovnováha týchto síl sa mení s veľkosťou tela: pretože hmotnosť, plocha a dĺžka sa škálujú odlišne, veľké a malé zvieratá čelia rôznym mechanickým obmedzeniam, ktoré sú zachytené v škálovacích zákonoch a princípe dynamickej podobnosti, ktorý spája chôdzu zvierat rôznych veľkostí.

Clinical relevance

Biomechanická analýza pohybu prispieva k pochopeniu chôdze, zaťaženia kĺbov a energetických nákladov lokomócie a inšpiruje dizajn kráčajúcich a iných bioinšpirovaných strojov. Tento záznam je vzdelávacím referenčným materiálom, nie lekárskym usmernením.

History

Borelliho sedemnásťstoročné spracovanie pohybu zvierat ako mechaniky založilo biomechaniku a v dvadsiatom storočí Robert McNeill Alexander a ďalší kvantifikovali páky, ukladanie elastickej energie a škálovanie lokomócie, zatiaľ čo štúdie chôdze a dynamickej podobnosti spájali mechaniku pohybu s veľkosťou tela.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Prečo sú niektoré končatiny stavané na silu a iné na rýchlosť?

Geometria svalov a kĺbov pôsobí ako páka a usporiadania, ktoré maximalizujú silu, zvyčajne obetujú rýchlosť a rozsah, takže dizajn končatín odráža, či zviera potrebuje silu alebo rýchlosť.

Ako šľachy zvyšujú efektivitu pohybu?

Šľachy pôsobia ako pružiny, ukladajú energiu, keď telo pristane alebo spomalí, a uvoľňujú ju v ďalšom kroku, takže svaly vykonávajú menej práce a lokomócia stojí menej energie.