Biomekanika e Lëvizjes së Kafshëve

Si forcat e krijuara nga një muskul shndërrohen në lëvizje: levat e skeleteve, sustat që ruajnë dhe kthejnë energjinë, dhe fizika që formëson mënyrën se si lëvizin kafshët.

Definition

Biomekanika e lëvizjes së kafshëve është studimi i forcave fizike dhe strukturave të përfshira në lëvizje – si muskujt veprojnë përmes skeleteve dhe elementeve elastike për të kapërcyer gravitetin, tërheqjen dhe inercinë dhe për të prodhuar lëvizje të koordinuar – e analizuar me parimet e mekanikës.

Scope

Kjo temë mbulon mekanikën që lidh forcën muskulore me lëvizjen e kafshës në tërësi: veprimin e muskujve mbi skeletet e ngurta dhe hidrostatike si leva, kompromisin midis forcës dhe shpejtësisë, ruajtjen dhe kthimin e energjisë elastike në tendina dhe inde të tjera, si dhe ndikimin e madhësisë së trupit në lëvizje përmes shkallëzimit dhe ngjashmërisë dinamike. Ajo trajton forcat që një kafshë duhet të kapërcejë dhe zgjidhjet strukturore që bëjnë të mundur lëvizjen. Mbulimi është krahasues dhe mekanistik.

Core questions

• Si i shndërrojnë skeletet forcën muskulore në lëvizje?
• Si bëjnë kompromis kafshët midis forcës, shpejtësisë dhe diapazonit të lëvizjes?
• Si ruhet dhe kthehet energjia elastike gjatë lëvizjes?
• Si e ndryshon madhësia e trupit mekanikën e lëvizjes?

Key theories

Levat skeletore dhe kompromisi forcë-shpejtësi

Muskujt që veprojnë nëpër kyçe formojnë sisteme levash, gjeometria e të cilave vendos një kompromis midis forcës së ushtruar dhe shpejtësisë e diapazonit të lëvizjes së rezultuar, kështu që proporcionet e gjymtyrëve janë të akorduara me kërkesat mekanike të një kafshe.

Ruajtja e energjisë elastike dhe ngjashmëria dinamike

Tendinat dhe strukturat e tjera elastike ruajnë dhe kthejnë energjinë për ta bërë lëvizjen më ekonomike, dhe argumentet e shkallëzimit si ngjashmëria dinamike shpjegojnë pse kafshët me madhësi të ndryshme lëvizin në mënyra gjeometrikisht të krahasueshme.

Mechanisms

Muskujt bashkohen nëpër kyçe për të formuar leva, dhe pozicionet relative të insercionit të muskulit dhe kyçit përcaktojnë nëse sistemi favorizon forcën apo shpejtësinë dhe sa larg lëviz gjymtyra. Skeletet e ngurta sigurojnë levat te artropodët dhe vertebrorët, ndërsa kafshët me trup të butë përdorin skelete hidrostatike në të cilat muskuli vepron kundër një zgavre të mbushur me lëng. Gjatë lëvizjes, strukturat elastike si tendinat dhe kutikula shtrihen dhe tkurren, duke ruajtur energjinë kur trupi ngadalëson dhe duke e kthyer atë gjatë shtytjes së radhës, gjë që redukton energjinë që muskujt duhet të furnizojnë. Kafshët duhet të kapërcejnë gravitetin në tokë, tërheqjen në ujë dhe ajër, dhe inercinë e trupave të tyre, dhe balanca e këtyre forcave ndryshon me madhësinë e trupit: sepse masa, sipërfaqja dhe gjatësia shkallëzohen ndryshe, kafshët e mëdha dhe të vogla përballen me kufizime të ndryshme mekanike, të kapura nga ligjet e shkallëzimit dhe parimi i ngjashmërisë dinamike që lidh ecjet e kafshëve me madhësi të ndryshme.

Clinical relevance

Analiza biomekanike e lëvizjes informon kuptimin e ecjes, ngarkesës së kyçeve dhe kostos energjetike të lëvizjes dhe frymëzon dizajnin e makinave me këmbë dhe të tjera të frymëzuara nga biologjia. Kjo hyrje është material referencë edukativ dhe jo udhëzim mjekësor.

History

Trajtimi i lëvizjes së kafshëve si mekanikë nga Borelli në shekullin e shtatëmbëdhjetë themeloi biomekanikën, dhe në shekullin e njëzetë Robert McNeill Alexander dhe të tjerë kuantifikuan levat, ruajtjen e energjisë elastike dhe shkallëzimin e lëvizjes, ndërsa studimet e ecjes dhe ngjashmërisë dinamike lidhën mekanikën e lëvizjes me madhësinë e trupit.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Pse disa gjymtyrë janë ndërtuar për fuqi dhe të tjera për shpejtësi?

Gjeometria e muskujve dhe kyçeve vepron si një levë, dhe rregullimet që maksimizojnë forcën zakonisht sakrifikojnë shpejtësinë dhe diapazonin, kështu që dizajni i gjymtyrëve reflekton nëse një kafshë ka nevojë për forcë apo shpejtësi.

Si i bëjnë tendinat lëvizjet më efikase?

Tendinat veprojnë si susta, duke ruajtur energjinë kur trupi zbret ose ngadalëson dhe duke e lëshuar atë në hapin tjetër, kështu që muskujt bëjnë më pak punë dhe lëvizja kushton më pak energji.