Біомеханіка руху тварин

Як сили, що створює м'яз, перетворюються на рух: важелі скелетів, пружини, що накопичують та повертають енергію, та фізика, що формує рух тварин.

Definition

Біомеханіка руху тварин — це дослідження фізичних сил і структур, залучених до локомоції — як м'язи діють через скелети та еластичні елементи, щоб долати гравітацію, опір та інерцію і виробляти скоординований рух — аналізоване за принципами механіки.

Scope

Ця тема охоплює механізми, що пов'язують м'язову силу з рухом цілого організму: дію м'язів на жорсткі та гідростатичні скелети як важелі, компроміс між силою та швидкістю, накопичення та повернення пружної енергії в сухожиллях та інших тканинах, а також вплив розміру тіла на рух через масштабування та динамічну подібність. Вона розглядає сили, які тварина повинна долати, та структурні рішення, що уможливлюють рух. Висвітлення є порівняльним та механістичним.

Core questions

• Як скелети перетворюють м'язову силу на рух?
• Як тварини балансують між силою, швидкістю та діапазоном руху?
• Як пружна енергія накопичується та повертається під час локомоції?
• Як розмір тіла змінює механіку руху?

Key theories

Скелетні важелі та компроміс між силою та швидкістю

М'язи, що діють через суглоби, утворюють важільні системи, геометрія яких встановлює компроміс між прикладеною силою та швидкістю і діапазоном результуючого руху, тому пропорції кінцівок налаштовані на механічні потреби тварини.

Накопичення пружної енергії та динамічна подібність

Сухожилля та інші еластичні структури накопичують та повертають енергію, щоб зробити локомоцію більш економічною, а аргументи масштабування, такі як динамічна подібність, пояснюють, чому тварини різних розмірів рухаються геометрично порівнянними способами.

Mechanisms

М'язи прикріплюються через суглоби, утворюючи важелі, а відносне розташування місця прикріплення м'яза та суглоба визначає, чи система сприяє силі або швидкості, і наскільки далеко рухається кінцівка. Жорсткі скелети забезпечують важелі у членистоногих та хребетних, тоді як м'якотілі тварини використовують гідростатичні скелети, в яких м'яз діє проти заповненої рідиною порожнини. Під час локомоції еластичні структури, такі як сухожилля та кутикула, розтягуються та скорочуються, накопичуючи енергію, коли тіло сповільнюється, і повертаючи її під час наступного поштовху, що зменшує енергію, яку повинні постачати м'язи. Тварини повинні долати гравітацію на суші, опір у воді та повітрі, а також інерцію власних тіл, і баланс цих сил змінюється з розміром тіла: оскільки маса, площа та довжина масштабуються по-різному, великі та малі тварини стикаються з різними механічними обмеженнями, що відображено в законах масштабування та принципі динамічної подібності, який пов'язує ходу тварин різних розмірів.

Clinical relevance

Біомеханічний аналіз руху сприяє розумінню ходи, навантаження на суглоби та енергетичних витрат на локомоцію, а також надихає на розробку крокуючих та інших біоінспірованих машин. Цей запис є навчальним довідковим матеріалом, а не медичним посібником.

History

Розгляд руху тварин як механіки Бореллі у сімнадцятому столітті заснував біомеханіку, а у двадцятому столітті Роберт МакНіл Александер та інші кількісно оцінили важелі, накопичення пружної енергії та масштабування локомоції, тоді як дослідження ходи та динамічної подібності пов'язали механіку руху з розміром тіла.

Key figures

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

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Чому одні кінцівки створені для сили, а інші – для швидкості?

Геометрія м'язів і суглобів діє як важіль, і розташування, що максимізує силу, зазвичай жертвує швидкістю та діапазоном, тому дизайн кінцівок відображає, чи потрібна тварині сила, чи швидкість.

Як сухожилля роблять рух ефективнішим?

Сухожилля діють як пружини, накопичуючи енергію, коли тіло приземляється або сповільнюється, і вивільняючи її під час наступного кроку, тому м'язи виконують менше роботи, а локомоція коштує менше енергії.