ชีวกลศาสตร์ของการเคลื่อนที่ของสัตว์
แรงที่กล้ามเนื้อสร้างขึ้นกลายเป็นพลังงานจลน์ได้อย่างไร: คานของโครงกระดูก, สปริงที่เก็บและคืนพลังงาน, และฟิสิกส์ที่กำหนดการเคลื่อนที่ของสัตว์
Definition
ชีวกลศาสตร์ของการเคลื่อนที่ของสัตว์คือการศึกษาแรงทางกายภาพและโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ — กล้ามเนื้อทำงานผ่านโครงกระดูกและองค์ประกอบยืดหยุ่นเพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วง แรงต้าน และความเฉื่อย และสร้างการเคลื่อนที่ที่ประสานกัน — ซึ่งวิเคราะห์ด้วยหลักการทางกลศาสตร์
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมกลไกที่เชื่อมโยงแรงของกล้ามเนื้อกับการเคลื่อนที่ของสัตว์ทั้งตัว: การทำงานของกล้ามเนื้อบนโครงกระดูกที่แข็งและโครงกระดูกไฮโดรสแตติกในฐานะคาน, การแลกเปลี่ยนระหว่างแรงและความเร็ว, การเก็บและคืนพลังงานยืดหยุ่นในเส้นเอ็นและเนื้อเยื่ออื่น ๆ, และอิทธิพลของขนาดร่างกายต่อการเคลื่อนที่ผ่านการปรับขนาดและความคล้ายคลึงทางพลวัต หัวข้อนี้กล่าวถึงแรงที่สัตว์ต้องเอาชนะและวิธีการแก้ปัญหาเชิงโครงสร้างที่ทำให้การเคลื่อนที่เกิดขึ้นได้ การครอบคลุมเนื้อหาเป็นการเปรียบเทียบและเชิงกลไก
Core questions
- โครงกระดูกเปลี่ยนแรงของกล้ามเนื้อให้เป็นการเคลื่อนที่ได้อย่างไร?
- สัตว์แลกเปลี่ยนแรงกับความเร็วและช่วงการเคลื่อนที่ได้อย่างไร?
- พลังงานยืดหยุ่นถูกเก็บและคืนในระหว่างการเคลื่อนที่ได้อย่างไร?
- ขนาดร่างกายเปลี่ยนแปลงกลไกของการเคลื่อนที่ได้อย่างไร?
Key theories
- คานโครงกระดูกและการแลกเปลี่ยนระหว่างแรง–ความเร็ว
- กล้ามเนื้อที่ทำงานข้ามข้อต่อจะสร้างระบบคานซึ่งรูปทรงเรขาคณิตกำหนดการแลกเปลี่ยนระหว่างแรงที่ออกและความเร็วและช่วงของการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้น ดังนั้นสัดส่วนของแขนขาจึงถูกปรับให้เข้ากับความต้องการทางกลไกของสัตว์
- การเก็บพลังงานยืดหยุ่นและความคล้ายคลึงทางพลวัต
- เส้นเอ็นและโครงสร้างยืดหยุ่นอื่น ๆ เก็บและคืนพลังงานเพื่อให้การเคลื่อนที่ประหยัดพลังงานมากขึ้น และข้อโต้แย้งเรื่องการปรับขนาด เช่น ความคล้ายคลึงทางพลวัต อธิบายว่าทำไมสัตว์ที่มีขนาดต่างกันจึงเคลื่อนที่ในลักษณะที่เปรียบเทียบกันได้ทางเรขาคณิต
Mechanisms
กล้ามเนื้อยึดข้ามข้อต่อเพื่อสร้างคาน และตำแหน่งสัมพัทธ์ของการเกาะของกล้ามเนื้อและข้อต่อจะกำหนดว่าระบบนั้นเอื้อต่อแรงหรือความเร็ว และแขนขาเคลื่อนที่ไปได้ไกลแค่ไหน โครงกระดูกที่แข็งให้คานในสัตว์ขาปล้องและสัตว์มีกระดูกสันหลัง ในขณะที่สัตว์ที่มีลำตัวอ่อนใช้โครงกระดูกไฮโดรสแตติกซึ่งกล้ามเนื้อทำงานต้านกับช่องที่เต็มไปด้วยของเหลว ในระหว่างการเคลื่อนที่ โครงสร้างยืดหยุ่น เช่น เส้นเอ็นและคิวติเคิลจะยืดและหดตัว เก็บพลังงานเมื่อร่างกายชะลอตัวและคืนพลังงานในการผลักครั้งต่อไป ซึ่งช่วยลดพลังงานที่กล้ามเนื้อต้องใช้ สัตว์ต้องเอาชนะแรงโน้มถ่วงบนบก แรงต้านในน้ำและอากาศ และความเฉื่อยของร่างกายตนเอง และความสมดุลของแรงเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไปตามขนาดร่างกาย: เนื่องจากมวล พื้นที่ และความยาวมีการปรับขนาดที่แตกต่างกัน สัตว์ขนาดใหญ่และขนาดเล็กจึงเผชิญกับข้อจำกัดทางกลไกที่แตกต่างกัน ซึ่งอธิบายได้ด้วยกฎการปรับขนาดและหลักการความคล้ายคลึงทางพลวัตที่เชื่อมโยงท่าทางการเดินของสัตว์ที่มีขนาดต่างกัน
Clinical relevance
การวิเคราะห์ชีวกลศาสตร์ของการเคลื่อนที่ช่วยให้เข้าใจการเดิน การรับน้ำหนักของข้อต่อ และต้นทุนพลังงานของการเคลื่อนที่ และเป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบเครื่องจักรที่มีขาและเครื่องจักรที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพอื่น ๆ ข้อมูลนี้เป็นเอกสารอ้างอิงเพื่อการศึกษา ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์
History
การศึกษาการเคลื่อนที่ของสัตว์ในศตวรรษที่สิบเจ็ดของ Borelli ในฐานะกลศาสตร์ได้ก่อตั้งชีวกลศาสตร์ขึ้น และในศตวรรษที่ยี่สิบ Robert McNeill Alexander และคนอื่น ๆ ได้ทำการวัดปริมาณคาน การเก็บพลังงานยืดหยุ่น และการปรับขนาดของการเคลื่อนที่ ในขณะที่การศึกษาการเดินและความคล้ายคลึงทางพลวัตได้เชื่อมโยงกลศาสตร์ของการเคลื่อนที่เข้ากับขนาดร่างกาย
Key figures
- Robert McNeill Alexander
- Knut Schmidt-Nielsen
- Giovanni Borelli
- Thomas McMahon
Related topics
Seminal works
- alexander2003
- schmidtnielsen1997
- hill2016
Frequently asked questions
- ทำไมแขนขาบางส่วนจึงถูกสร้างมาเพื่อกำลัง และบางส่วนเพื่อความเร็ว?
- รูปทรงเรขาคณิตของกล้ามเนื้อและข้อต่อทำหน้าที่เหมือนคาน และการจัดเรียงที่เพิ่มแรงสูงสุดมักจะเสียสละความเร็วและช่วงการเคลื่อนที่ ดังนั้นการออกแบบแขนขาจึงสะท้อนว่าสัตว์ต้องการความแข็งแรงหรือความรวดเร็ว
- เส้นเอ็นทำให้การเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นได้อย่างไร?
- เส้นเอ็นทำหน้าที่เหมือนสปริง เก็บพลังงานเมื่อร่างกายลงสู่พื้นหรือชะลอตัว และปล่อยพลังงานในการก้าวครั้งต่อไป ดังนั้นกล้ามเนื้อจึงทำงานน้อยลงและการเคลื่อนที่จึงใช้พลังงานน้อยลง