למה אפילו האיש המהיר ביותר בעולם לא יכול לעקוף חתול בית רגיל

למה אפילו האיש המהיר ביותר בעולם לא יכול לעקוף חתול בית רגיל
למה אפילו האיש המהיר ביותר בעולם לא יכול לעקוף חתול בית רגיל
Anonim

אפילו האדם המהיר ביותר על פני כדור הארץ לא יצליח להדביק את חתול הבית הממוצע, על פי מחקר חדש. בתחרות עם ברדלסים, לאולימפיאן המהיר לא היה סיכוי לזכות. מה קובע את המהירות המרבית?

המודל החדש מסביר כיצד כוחות ומבני גוף שונים מגבילים את מהירות הריצה המרבית בבני אדם.

בשבוע שעבר התכנסו האצים המהירים בעולם באולימפיאדת טוקיו כדי להתחרות על זהב במרוץ 100 מטר. לאמונט מרסל ג'ייקובס הגיע לקו הסיום תוך 9, 80 שניות, וזכה בזהב הראשון של איטליה במשמעת זו. בקרב נשים, ג'מייקה לקחה זהב, כסף וארד - ניצחון ברור שהובילה איליין תומפסון -חרה, ששברה את השיא האולימפי שקבע לפני 33 שנים, ורצה את המרחק תוך 10.61 שניות.

אבל אף אחד מהם לא יכול להגיע לשיאי המורשת של האלוף האולימפי שמונה פעמים אוסיין בולט, שפרש מהספורט בשנת 2017 אך עדיין מחזיק בתואר האיש המהיר ביותר על פני כדור הארץ. בולט רץ את ה -100 מטר תוך 9.58 שניות. עם זאת, למרות שמהירותו של בולט הגיעה ל -43.5 קילומטרים לשעה, זו עדיין פחותה ממהירותו של חתול בית רגיל. (כן, חתול הבית הנפוץ.) בתחרות עם ברדלסים וקרניים, שנחשבות לבעלי החיים המהירים ביותר על פני כדור הארץ, לבולט לא יהיה סיכוי לזכות.

אתה עשוי לחשוב שכמה מהר בעל חיים יכול לרוץ תלוי בגודל שריריו: יותר כוח, יותר מהירות. למרות שזה נכון במידה מסוימת, פיל לעולם לא יעקוף את הגאזל. אז מה בעצם קובע את המהירות המרבית?

לאחרונה החליטה קבוצת מדענים בראשותו של הביומכניסט מייקל גינתר מאוניברסיטת שטוטגרט לברר אילו חוקי טבע קובעים את מהירות הריצה המרבית בממלכת החיות. במחקר החדש שלהם, שתוצאותיו פורסמו בשבוע שעבר בכתב העת Journal of Theoretical Biology, הציגו מודל מורכב, תוך התחשבות בגודל הגוף, אורך הרגליים, צפיפות השרירים ועוד, כדי להסביר אילו תכונות של מבנה הגוף הן החשוב ביותר כדי להבטיח את המהירות המהירה ביותר האפשרית.

מחקר חדש זה מספק תובנה לגבי האבולוציה הביולוגית של מרובעי הרגלי הריצה שלהם, וניתן להשתמש בו על ידי אקולוגים כדי להבין כיצד מגבלות המהירות משפיעות על אוכלוסיות, בחירות בית גידול והדינמיקה של אוכלוסיות ממינים שונים. המחקר יכול להיות שימושי גם עבור רובוטיקה ומהנדסים ביו -רפואיים הלומדים מבני גוף בעלי חיים אופטימליים כדי לשפר את העיצובים של רובוטים הליכה דו -רגליים ותותבות שונות.

"מדובר בהבנת הגורמים לאבולוציה, כמו גם מדוע וכיצד היא משנה את מבנה הגוף", אמר גונתר על מטרת המחקר. "אתה יכול גם להרחיב את הידע שלך כיצד צרכים אבולוציוניים שונים משפיעים על הרכב הגוף, כולל הצורך לרוץ מהר."

מחקרים קודמים בתחום זה, בהובלת מרים הירט מהמרכז הגרמני למחקר מגוון אינטגרטיבי, הראו כי המפתח למהירות קשור למטבוליזם של בעלי חיים - כלומר תהליך הפיכת חומרים מזינים לדלק. כמות סופית שלו מאוחסן בסיבי שריר לשימוש בריצה.הצוות של הרט גילה שלבעלי חיים גדולים יותר נגמר הדלק מהר יותר מאשר קטן יותר מכיוון שהם לוקחים יותר זמן להאיץ את גופם הכבד יותר. קוראים לזה עייפות שרירים. זה מסביר מדוע - באופן תיאורטי בלבד - אדם יכול לעקוף את טירנוזאור.

אבל גונתר ועמיתיו היו ספקנים לגבי המסקנה הזו. "חשבתי שנוכל לתת הסבר נוסף", אמר, "הסבר שבו ישמשו רק את עקרונות הפיסיקה הקלאסית כדי לאפיין את מגבלות המהירות. לכן, מדענים יצרו מודל ביו -מכני המורכב מיותר מ -40 פרמטרים שונים הקשורים למבנה הגוף, גיאומטריה פועלת ואיזון הכוחות הפועלים על הגוף.

"הרעיון הבסיסי הוא שיש שני גורמים המגבילים את המהירות המרבית", אומר רוברט רוקנפלר, מתמטיקאי מאוניברסיטת קובלנץ-לנדאו, שחיבר את המחקר. הראשון הוא התנגדות אוויר, שהיא הכוח הפועל על כל רגל כשהיא מנסה להניע את הגוף קדימה. מכיוון שההשפעה של כוח הגרירה אינה גוברת עם הגדלת המסה, זהו הגורם המגביל את המהירות הדומיננטית בבעלי חיים קטנים יותר. "בהתחשב בעוצמת ההתנגדות האווירית, אם היית כבד לאין שיעור, היית רץ במהירות אינסופית", הסביר רוקנפלר.

גורם הפעולה השני, שרק עולה עם עלייה במשקל הגוף, הוא אינרציה, כלומר ההתנגדות של הגוף לשינוי במצבו, במקרה זה, בעת האצה ממצב מנוחה. רוקנפלר אומר שלבעלי חיים יש מגבלת זמן להאיץ את המסה שלה: זהו מרווח הזמן שבין כף הרגל על הקרקע ועד לרגע הרמה מהקרקע. הדבר מגביל במיוחד עבור בעלי חיים גדולים יותר: ככל שיש צורך להניע יותר מסה קדימה, כך קשה יותר להתגבר על המומנטום. לפיכך, לבעלי חיים עם משקל גוף נמוך יותר יש יתרון.

על פי תוצאות המחקר, הערך האופטימלי של משקל הגוף להתגברות על עמידות האוויר ואינרציה הוא כ -50 קילוגרם. לא במקרה זהו המשקל הממוצע של ברדלסים וקרניים.

הצוות של גונטר הצליח גם לחשב את המהירות המקסימלית התיאורטית למבני גוף שונים במשקל של כ -100 ק"ג. חתול בית בגודל כזה יכול לרוץ במהירות של 74 קילומטרים לשעה; עכביש ענק, אם רגליו היו מסוגלות איכשהו לתמוך במשקלו, היה מאיץ ל -56 קילומטרים לשעה. זה לא מפתיע, אבל המדד הממוצע לאדם שמשקלו 100 ק"ג הוא האחרון בשורה זו: מהירותו לא תעלה על 38 קילומטרים לשעה.

אבל גודל הגוף הוא לא התכונה היחידה שמשפיעה על מהירות מרבית. הדגם הראה שגם אורך הרגל חשוב. בעלי חיים עם רגליים ארוכות יותר יכולים לדחוף את גופם קדימה יותר לפני שכף הרגל שלהם צריכה להרים מהקרקע, מה שמאריך את הזמן שלוקח להם להאיץ בין שלב אמצע הרגל לבין ההרמה מהקרקע.

בנוגע למה חיות בעלות ארבע רגליים יכולות לרוץ מהר יותר מבני אדם, הסביר גונתר כי זה לא בגלל שיש לנו רק שתי רגליים, אלא בגלל שהגוף שלנו זקוף וחווה את מלוא כוח הכבידה. בתהליך האבולוציה ביצורים דו -רגליים, עמוד השדרה הפך להיות הרבה פחות נייד, כי מבחינתם איזון ויציבות היו בראש סדר העדיפויות של המהירות. בינתיים, בעלי חיים שגופם ממוקם במקביל לאדמה, בתהליך האבולוציה קיבלו קוצים גמישים יותר, האופטימליים למגע ממושך של כף הרגל עם הקרקע.

מה עם עייפות שרירים? "זה לא משנה," אומר גונתר. כחלק ממחקרם, הצוות שלו הגיע למסקנה שכל בעל חיים יכול להאיץ לפחות 90% ממהירותו המרבית לפני שייגמר לו הדלק.

קרל קלויד, אקולוג במעבדת הים של האי דופין באלבמה, שחוקר תנועה של בעלי חיים, סבור שמבחינה אבולוציונית הסבר ביו -מכני הגיוני יותר מהשריר שנגמר לו הדלק … "הייתי מציע שבתהליך האבולוציה בעלי החיים היו צריכים להסתגל לזה", אמר. עם זאת, הוא אכן הודה כי יש צורך במחקר ניסיוני נוסף כדי לאמת את המודל החדש.

גונתר ורוקנפלר מסכימים שיש צורך בניסויים נוספים כדי לבדוק את ממצאיהם, והם מאמינים שהם סיפקו מודל מקיף למדענים אחרים להמשך הבדיקה. עם זאת, כל המדענים מכירים בכך שזה יהיה כרוך בקשיים. מדענים יצטרכו ללכוד ולצפות בבעלי חיים במעבדה, או להשתמש בקטעי וידאו באיכות גבוהה כדי לנתח את הביומכניקה של תנועותיהם, אמר קלויד. השיטה המדויקת ביותר לחקר תנועות של חיה רצה עשויה להיות השתלת חיישנים מכניים לרקמת השריר שלהם והתבוננות נוספת בהם בסביבתם הטבעית. אבל, לדברי גונתר, הדבר כרוך בשלל נושאים לוגיסטיים ואתיים ברורים.

קלויד גם רוצה לראות כיצד ניתוח זה מתרחב, במיוחד כדי לכסות אופני תנועה אחרים כגון טיסה ושחייה. "אם יתברר שההשערה הזו נכונה, ניתן ליישמה על אובייקטים אחרים בסביבה."

אז מישהו יכול לנצח את השיא של יוסיין בולט? אולי, אבל לא סביר שאנשים יוכלו לרוץ אפילו מהר יותר. הביומכניקה של הריצה מראה שכבר אנו מתקרבים לגבולות גוף האדם. וכאשר מישהו אחר יהפוך לאדם המהיר ביותר על פני כדור הארץ, הוא יצטרך להסכים שהוא יישא רק בתואר הזה בקרב אנשים. בממלכת החיות, אין לנו על מה לסמוך.

מוּמלָץ: