รูปแบบการเคลื่อนที่และประสิทธิภาพ

เหตุใดการว่ายน้ำ การบิน และการวิ่ง จึงมีหลักฟิสิกส์และต้นทุนพลังงานที่แตกต่างกัน และอะไรที่ทำให้การเคลื่อนที่แบบหนึ่งประหยัดกว่าอีกแบบหนึ่ง

Definition

รูปแบบการเคลื่อนที่คือวิธีการที่สัตว์ใช้ในการขับเคลื่อนตัวเอง ซึ่งส่วนใหญ่ได้แก่ การว่ายน้ำ การบิน และการเคลื่อนที่บนบก และประสิทธิภาพการเคลื่อนที่คือความประหยัดในการเคลื่อนที่ของสัตว์ในแต่ละรูปแบบ ซึ่งมักแสดงในรูปของต้นทุนการขนส่ง (cost of transport) ซึ่งเป็นพลังงานที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายมวลกายหนึ่งหน่วยในระยะทางหนึ่งหน่วย

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมรูปแบบหลักของการเคลื่อนที่ของสัตว์และประสิทธิภาพด้านพลังงาน ได้แก่ การว่ายน้ำและการต้านทานของการเคลื่อนที่ในน้ำ การบินและการสร้างแรงยก การเคลื่อนที่บนบกและการใช้ท่าเดิน และการเปรียบเทียบรูปแบบเหล่านี้ผ่านต้นทุนการขนส่ง โดยจะกล่าวถึงว่าตัวกลาง ขนาดร่างกาย และความเร็ว กำหนดพลังงานที่จำเป็นในการเดินทางในระยะทางที่กำหนดอย่างไร และเหตุใดแต่ละรูปแบบจึงมีประสิทธิภาพภายใต้เงื่อนไขของตนเอง เนื้อหาเป็นการเปรียบเทียบและอธิบายกลไก

Core questions

• แรงทางกายภาพใดที่มีอิทธิพลต่อการว่ายน้ำ การบิน และการวิ่ง?
• ประสิทธิภาพด้านพลังงานของการเคลื่อนที่วัดและเปรียบเทียบได้อย่างไร?
• เหตุใดสัตว์จึงใช้ท่าเดินที่แตกต่างกันที่ความเร็วต่างกัน?
• ตัวกลางและขนาดร่างกายกำหนดได้อย่างไรว่ารูปแบบการเคลื่อนที่ใดประหยัดที่สุด?

Key theories

ต้นทุนการขนส่งในรูปแบบการเคลื่อนที่ต่างๆ

พลังงานที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายมวลกายหนึ่งหน่วยในระยะทางหนึ่งหน่วยมีความแตกต่างกันอย่างเป็นระบบระหว่างการว่ายน้ำ การบิน และการวิ่ง โดยทั่วไปการว่ายน้ำประหยัดที่สุดและการวิ่งแพงที่สุดต่อระยะทาง และลดลงตามขนาดร่างกายในแต่ละรูปแบบ

การเลือกท่าเดินตามความประหยัด

สัตว์บกจะเปลี่ยนท่าเดินระหว่างการเดิน การวิ่งเหยาะๆ และการวิ่งควบที่ความเร็วที่แต่ละท่าเดินประหยัดที่สุด ซึ่งสะท้อนถึงกลไกที่เปลี่ยนแปลงไปและการใช้พลังงานของการเคลื่อนที่ตามความเร็ว

Mechanisms

รูปแบบการเคลื่อนที่แต่ละแบบต้องเผชิญกับแรงที่แตกต่างกัน สัตว์ที่ว่ายน้ำต้องเอาชนะแรงต้านและความหนาแน่นของน้ำ และสร้างแรงขับเคลื่อนโดยการเคลื่อนไหวแบบคลื่นหรือใช้รยางค์ ทำให้มีต้นทุนการขนส่งต่ำเนื่องจากน้ำช่วยพยุงน้ำหนักของพวกมัน สัตว์ที่บินได้ต้องสร้างแรงยกเพื่อลอยตัวอยู่ได้ รวมถึงแรงขับเคลื่อนเพื่อเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ทำให้การบินต้องใช้พลังงานมาก แต่เมื่อเทียบกับระยะทางแล้วค่อนข้างประหยัดสำหรับสัตว์ที่เดินทางไกล สัตว์บกต้องพยุงน้ำหนักของตนเองต้านแรงโน้มถ่วง และเร่งและลดความเร็วของแขนขาและลำตัวในการก้าวแต่ละครั้ง ซึ่งทำให้การวิ่งค่อนข้างมีต้นทุนสูง แม้ว่าการเก็บพลังงานยืดหยุ่นและการเลือกท่าเดินจะช่วยลดค่าใช้จ่ายได้ การเปรียบเทียบรูปแบบการเคลื่อนที่ด้วยต้นทุนการขนส่งแสดงให้เห็นว่า สำหรับขนาดร่างกายที่กำหนด การว่ายน้ำโดยทั่วไปประหยัดที่สุดและการวิ่งแพงที่สุด และสัตว์ที่มีขนาดใหญ่กว่าจะเคลื่อนที่ได้ประหยัดกว่าต่อหน่วยมวลในแต่ละรูปแบบ รูปแบบเหล่านี้อธิบายว่าเหตุใดสัตว์จึงปรับตัวให้เข้ากับตัวกลางและระยะทางในการเดินทางที่เฉพาะเจาะจง

Clinical relevance

การศึกษาเปรียบเทียบประสิทธิภาพการเคลื่อนที่ช่วยให้เข้าใจต้นทุนพลังงานของการเคลื่อนไหว ท่าเดิน และการออกกำลังกาย และเป็นแนวทางในการออกแบบยานพาหนะและหุ่นยนต์ที่มีประสิทธิภาพ ข้อมูลนี้เป็นเอกสารอ้างอิงเพื่อการศึกษาและไม่ได้ให้คำแนะนำทางการแพทย์

History

การวัดต้นทุนพลังงานของการเคลื่อนที่ในสัตว์และรูปแบบต่างๆ โดย Schmidt-Nielsen และ Taylor ได้สร้างกรอบแนวคิดต้นทุนการขนส่งขึ้นมา การศึกษาด้านพลังงานของการบินของ Tucker ได้ระบุปริมาณต้นทุนของการบิน และการวิเคราะห์ท่าเดินและความคล้ายคลึงทางพลวัตของ Alexander ได้อธิบายว่าเหตุใดสัตว์จึงเคลื่อนที่ในแบบที่พวกมันทำ

Key figures

• Knut Schmidt-Nielsen
• Robert McNeill Alexander
• Charles Richard Taylor
• Vance Tucker

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• alexander2003
• hill2016

Frequently asked questions

การเคลื่อนที่แบบใดประหยัดพลังงานที่สุด?

สำหรับขนาดร่างกายที่กำหนด การว่ายน้ำโดยทั่วไปมีต้นทุนการขนส่งต่ำที่สุดเนื่องจากน้ำช่วยพยุงน้ำหนักของสัตว์ ในขณะที่การวิ่งมักจะมีค่าใช้จ่ายสูงที่สุดต่อระยะทางที่เดินทาง

เหตุใดสัตว์จึงเปลี่ยนท่าเดินเมื่อเร่งความเร็ว?

ท่าเดินแต่ละท่าจะประหยัดที่สุดในช่วงความเร็วหนึ่งๆ ดังนั้นสัตว์จึงเปลี่ยนจากการเดินไปเป็นการวิ่งเหยาะๆ ไปเป็นการวิ่งควบ ณ จุดที่ท่าเดินใหม่ใช้พลังงานน้อยลง