Biomekanik vid djurrörelser

Hur muskelkraft omvandlas till rörelse: skelettets hävstänger, fjädrarna som lagrar och återför energi, samt fysiken som formar djurs rörelser.

Definition

Biomekanik vid djurrörelser är studiet av de fysiska krafter och strukturer som är involverade i lokomotion – hur muskler verkar genom skelett och elastiska element för att övervinna gravitation, motstånd och tröghet och producera koordinerad rörelse – analyserade med mekanikens principer.

Scope

Detta ämne behandlar mekaniken som kopplar muskelkraft till rörelse hos hela djuret: musklernas verkan på stela och hydrostatiska skelett som hävstänger, avvägningen mellan kraft och hastighet, lagring och återföring av elastisk energi i senor och andra vävnader, samt kroppsstorlekens inverkan på rörelse genom skalning och dynamisk likhet. Den behandlar de krafter ett djur måste övervinna och de strukturella lösningar som möjliggör rörelse. Täckningen är komparativ och mekanistisk.

Core questions

• Hur omvandlar skelett muskelkraft till rörelse?
• Hur avväger djur kraft mot hastighet och rörelseomfång?
• Hur lagras och återförs elastisk energi under lokomotion?
• Hur förändrar kroppsstorlek rörelsemekaniken?

Key theories

Skeletthävstänger och avvägningen mellan kraft och hastighet

Muskler som verkar över leder bildar hävstångssystem vars geometri bestämmer en avvägning mellan den utövade kraften och hastigheten samt räckvidden för den resulterande rörelsen, så lemmarnas proportioner är anpassade till ett djurs mekaniska krav.

Lagring av elastisk energi och dynamisk likhet

Senor och andra elastiska strukturer lagrar och återför energi för att göra lokomotion mer ekonomisk, och skalningsargument som dynamisk likhet förklarar varför djur av olika storlekar rör sig på geometriskt jämförbara sätt.

Mechanisms

Muskler fäster över leder för att bilda hävstänger, och de relativa positionerna för muskelfästet och leden avgör om systemet gynnar kraft eller hastighet och hur långt lemmen rör sig. Stela skelett tillhandahåller hävstängerna hos leddjur och ryggradsdjur, medan mjukdjur använder hydrostatiska skelett där muskler verkar mot en vätskefylld hålighet. Under lokomotion sträcks och dras elastiska strukturer som senor och kutikulan samman, lagrar energi när kroppen bromsar in och återför den under nästa avstamp, vilket minskar den energi musklerna måste tillföra. Djur måste övervinna gravitation på land, motstånd i vatten och luft, samt sin egen kropps tröghet, och balansen mellan dessa krafter förändras med kroppsstorleken: eftersom massa, area och längd skalar olika, möter stora och små djur olika mekaniska begränsningar, vilket fångas av skalningslagar och principen om dynamisk likhet som relaterar gångar hos djur av olika storlekar.

Clinical relevance

Den biomekaniska analysen av rörelse bidrar till förståelsen av gång, ledbelastning och den energimässiga kostnaden för lokomotion, och inspirerar designen av benförsedda och andra bioinspirerade maskiner. Detta inlägg är utbildningsmaterial snarare än medicinsk vägledning.

History

Borellis behandling av djurrörelser som mekanik på 1600-talet grundade biomekaniken, och på 1900-talet kvantifierade Robert McNeill Alexander och andra hävstänger, lagring av elastisk energi och skalningen av lokomotion, medan studier av gång och dynamisk likhet relaterade rörelsemekaniken till kroppsstorlek.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Varför är vissa lemmar byggda för styrka och andra för snabbhet?

Musklernas och ledernas geometri fungerar som en hävstång, och arrangemang som maximerar kraft offrar vanligtvis hastighet och räckvidd, så lemmens design återspeglar om ett djur behöver styrka eller snabbhet.

Hur gör senor rörelsen effektivare?

Senor fungerar som fjädrar, lagrar energi när kroppen landar eller bromsar in och frigör den i nästa steg, så musklerna utför mindre arbete och lokomotionen kostar mindre energi.