Il ritmo della locomozione crea potenza e velocità

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14018 (2023) Citare questo articolo

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Questo articolo affronta due domande: perché alcuni animali (rane, nuotatori a rana, volatori in bilico, meduse) spingono rapidamente contro il fluido circostante e poi si allungano lentamente in avanti, e se questo ritmo di propulsione sia una manifestazione del fenomeno universale dell'evoluzione del design in natura . L'accento è posto sulla distribuzione dei periodi temporali di locomozione in cui, durante la fase motrice del movimento ciclico (la corsa motrice, fasi 1 e 2, in sequenza alternata con la corsa dissipativa, fase 3), viene generato il lavoro (fase 1) e dissipato (fase 2). Si prevedono le lunghezze relative dei tempi caratteristici t1 e t2 delle fasi 1 e 2. La durata relativa delle tre fasi proposte di un ciclo è il "ritmo". L'analisi si basa su un modello di come le sezioni trasversali effettive delle parti del corpo colpite influiscono sul mezzo circostante, acqua o aria, e sulla potenza totale richiesta per tenere conto delle perdite di energia cinetica durante le fasi 2 e 3, che sono dovute trascinare le forze poste dal mezzo circostante. La configurazione del corpo (sezioni trasversali degli arti) determina le velocità degli arti che massimizzano la potenza media e i tempi t1 e t2 all'interno della corsa motrice. L'accento è posto sulla libertà di modificare il design in evoluzione. La libertà è rappresentata in due modi: il numero di gradi di libertà nel cambiare le dimensioni del modello e la sua deformazione nel tempo, e l'effetto che i cambiamenti evolutivi hanno sull'accesso che il corpo ha allo spazio disponibile. La libertà di modificare il design della locomozione porta a maggiore potenza e velocità.

Hai notato che le rane e i nuotatori a rana spingono indietro l'acqua velocemente e si allungano lentamente in avanti? Avete notato anche che dopo il movimento push&reach i loro corpi 'scivolano' durante un intervallo di tempo paragonabile ai primi due? Perché sta succedendo? Qual è il legame tra questo ritmo e l'evoluzione del disegno animale e il suo movimento sulla terra?

In questo articolo affrontiamo queste domande in modo fondamentale, basandoci sulla teoria. Questo lavoro è predittivo, poiché si basa sulla legge fisica dell'evoluzione del design in natura, la legge costruttiva1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18,19. Innanzitutto, esaminiamo i principali termini e concetti utilizzati nell'articolo, che costruiscono ponti tra fisica, progettazione animale e ingegneria: locomozione, termodinamica, fluidodinamica, design, modello, scala, libertà ed evoluzione.

La locomozione (o trasporto, per gli esseri umani) è il movimento con uno scopo, per offrire accesso allo spostamento di animali e persone, da un luogo all'altro. Il movimento è contro un mezzo: nell'acqua, sulla terra e nell'aria. La potenza guida il movimento e tutta la potenza viene dissipata man mano che il corpo in movimento avanza contro l'opposizione posta dal mezzo. Questa è la termodinamica della locomozione, in poche parole.

La termodinamica è una disciplina più ampia della fluidodinamica2. Termodinamica significa riscaldamento (therme, Gr.) e potenza (dynamis, Gr.). Tra i flussi di calore e di potenza ci sono configurazioni di flusso macroscopiche (disegni) che convertono il riscaldamento in potenza e il movimento guidato da quella potenza (chiamati motori, animali, veicoli), o convertono la potenza e il movimento in riscaldamento (chiamati refrigeratori, frigoriferi , freni, dissipatori). Il "riscaldamento" ha origine da processi (combustione, metabolismo) che consumano quantità misurabili note come cibo, carburante, exergia, energia libera, valore calorico, ecc. Il tasso di consumo (ad esempio, metabolismo) non deve essere confuso con l'energia generata per causando movimento (ad esempio, locomozione). Tra i due c'è il flow design che converte parzialmente il primo nel secondo.

Essenziale in termodinamica e in questo articolo è la configurazione del flusso, il design, il suo movimento nello spazio e nel tempo e la sua evoluzione. Evoluzione significa cambiamento dopo cambiamento in una direzione percepibile dall'osservatore.