Esqueletos y palancas

Cada animal que camina, corre, nada o vuela es una máquina construida con tres tipos de piezas: huesos que mantienen su forma, articulaciones que les permiten girar y músculos que proporcionan la fuerza. Juntas, forman un conjunto de palancas. Una vez que puedes leer una extremidad como una palanca, la pata de un guepardo, la pata de una topera y tu propio brazo empiezan a tener sentido.

Los músculos solo tiran. Un músculo se acorta cuando se activa, y eso es todo lo que puede hacer. No puede empujar. Para mover una articulación en ambas direcciones, el cuerpo usa pares antagonistas: dos músculos en lados opuestos de una articulación. En tu brazo superior, el bíceps dobla el codo y el tríceps lo extiende. Cuando uno tira, el otro se relaja.

Un músculo está unido al hueso por un tendón, un cordón resistente de fibras. Cuando el músculo se acorta, tira del tendón, el tendón tira del hueso y el hueso gira alrededor de la articulación.

La regla de la palanca. Un efecto de giro se llama momento: la fuerza multiplicada por su distancia perpendicular desde la articulación. Una extremidad que está quieta tiene momentos iguales y opuestos:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

La ventaja mecánica es MA = d_muscle / d_load. La mayoría de los músculos se unen muy cerca de la articulación, por lo que d_muscle es pequeño y MA es menor que 1. Eso significa que el músculo debe tirar más fuerte que la carga que sostiene.

Ejemplo resuelto (simplificado). Sostén una bolsa de 2 kg en la mano con el antebrazo horizontal. La carga es 2 kg × 9.81 m/s² ≈ 19.6 N. Supongamos que el bíceps tira a 4 cm del codo y la bolsa está a 32 cm del codo. Entonces F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. El músculo tira aproximadamente ocho veces el peso de la bolsa. (Ignoramos el peso del propio antebrazo, por lo que un músculo real tira un poco más.)

Lo que se sacrifica y lo que se gana. El mismo brazo corto que cuesta fuerza compra velocidad y alcance. Cuando el bíceps se acorta 1 cm, la mano se mueve 8 cm. La mano está ocho veces más lejos del codo que el tendón, por lo que recorre ocho veces más distancia, en el mismo tiempo, ocho veces más rápido.

Así, los animales enfrentan un compromiso. Una extremidad con un brazo muscular corto y un brazo de carga largo es rápida pero débil. Una extremidad con un brazo muscular largo y un brazo de carga corto es lenta pero fuerte. La evolución ajusta esta proporción según la función:

• Un corredor, como un caballo o una gacela, tiene una pata inferior larga y ligera. El pie recorre una gran distancia por cada poco acortamiento del músculo: velocidad.
• Un excavador, como una topera o un armadillo, tiene una palanca larga para el músculo (una proyección ósea larga en el codo, donde se inserta el gran tríceps) y huesos cortos y robustos en la pata. Intercambia alcance por fuerza.

Mismo plan, trabajos diferentes. Mira dentro de un brazo humano, el ala de un murciélago, la aleta de una ballena y la pata de un caballo. En cada uno encuentras la misma secuencia de huesos: un hueso largo en la extremidad superior (el húmero), dos en la inferior (radio y cúbito), pequeños huesos de la muñeca y huesos de la mano y los dedos. Esto es la extremidad pentadáctila ('de cinco dedos'). Los detalles difieren: el caballo tiene un solo dedo largo, el murciélago tiene dedos muy largos y los dedos de la ballena están dentro de una aleta. Los biólogos llaman estructuras homólogas a los huesos que comparten un origen, sin importar su función. Son evidencia de que estos animales descienden de un ancestro común.

Ten cuidado con una idea parecida. El ala de un ave y el ala de un insecto hacen el mismo trabajo, pero están construidas con partes completamente diferentes. Son análogas, no homólogas.