Biomehanika kretanja životinja

Kako sile koje mišić proizvodi postaju kretanje: poluge skeleta, opruge koje skladište i vraćaju energiju, i fizika koja oblikuje način na koji se životinje kreću.

Definition

Biomehanika kretanja životinja je proučavanje fizičkih sila i struktura uključenih u lokomociju — kako mišići deluju kroz skelete i elastične elemente da bi savladali gravitaciju, otpor i inerciju i proizveli koordinisano kretanje — analizirano principima mehanike.

Scope

Ova tema obuhvata mehaniku koja povezuje mišićnu silu sa kretanjem celog organizma: delovanje mišića na krute i hidrostatičke skele kao poluge, kompromis između sile i brzine, skladištenje i vraćanje elastične energije u tetivama i drugim tkivima, i uticaj veličine tela na kretanje kroz skaliranje i dinamičku sličnost. Ona obrađuje sile koje životinja mora da savlada i strukturna rešenja koja omogućavaju kretanje. Pokrivenost je komparativna i mehanistička.

Core questions

• Kako skeleti pretvaraju mišićnu silu u kretanje?
• Kako životinje balansiraju silu u odnosu na brzinu i opseg pokreta?
• Kako se elastična energija skladišti i vraća tokom lokomocije?
• Kako veličina tela menja mehaniku kretanja?

Key theories

Skeletne poluge i kompromis sila–brzina

Mišići koji deluju preko zglobova formiraju sisteme poluga čija geometrija postavlja kompromis između primenjene sile i brzine i opsega rezultujućeg kretanja, tako da su proporcije udova podešene prema mehaničkim zahtevima životinje.

Skladištenje elastične energije i dinamička sličnost

Tetive i druge elastične strukture skladište i vraćaju energiju kako bi lokomocija bila ekonomičnija, a argumenti skaliranja, kao što je dinamička sličnost, objašnjavaju zašto se životinje različitih veličina kreću na geometrijski uporedive načine.

Mechanisms

Mišići se pričvršćuju preko zglobova da bi formirali poluge, a relativni položaji insercije mišića i zgloba određuju da li sistem favorizuje silu ili brzinu i koliko daleko se ud pomera. Kruti skeleti obezbeđuju poluge kod zglavkara i kičmenjaka, dok životinje mekog tela koriste hidrostatičke skele u kojima mišić deluje protiv tečnošću ispunjene šupljine. Tokom lokomocije, elastične strukture kao što su tetive i kutikula se istežu i vraćaju, skladišteći energiju kada se telo usporava i vraćajući je tokom sledećeg potiska, što smanjuje energiju koju mišići moraju da obezbede. Životinje moraju da savladaju gravitaciju na kopnu, otpor u vodi i vazduhu, i inerciju sopstvenih tela, a ravnoteža ovih sila se menja sa veličinom tela: pošto se masa, površina i dužina skaliraju različito, velike i male životinje se suočavaju sa različitim mehaničkim ograničenjima, što je obuhvaćeno zakonima skaliranja i principom dinamičke sličnosti koji povezuje načine kretanja životinja različitih veličina.

Clinical relevance

Biomehanička analiza kretanja doprinosi razumevanju hoda, opterećenja zglobova i energetskog troška lokomocije, te inspiriše dizajn hodajućih i drugih bio-inspirisanih mašina. Ovaj unos je edukativni referentni materijal, a ne medicinsko uputstvo.

History

Borellijevo tumačenje kretanja životinja iz sedamnaestog veka kao mehanike postavilo je temelje biomehanike, a u dvadesetom veku Robert McNeill Alexander i drugi su kvantifikovali poluge, skladištenje elastične energije i skaliranje lokomocije, dok su studije hoda i dinamičke sličnosti povezale mehaniku kretanja sa veličinom tela.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Zašto su neki udovi građeni za snagu, a drugi za brzinu?

Geometrija mišića i zglobova deluje kao poluga, a rasporedi koji maksimizuju silu obično žrtvuju brzinu i opseg, tako da dizajn udova odražava da li životinji treba snaga ili brzina.

Kako tetive čine kretanje efikasnijim?

Tetive deluju kao opruge, skladišteći energiju kada telo sleti ili uspori i oslobađajući je u sledećem koraku, tako da mišići obavljaju manje posla, a lokomocija košta manje energije.