Luurangot ja vipuvarret

Jokainen kävelevä, juokseva, uiva tai lentävä eläin on kone, joka koostuu kolmenlaisista osista: luut pitävät sen koossa, nivelet mahdollistavat liikkumisen ja lihakset tuottavat voiman. Kun nämä yhdistetään, syntyy joukko vipuja. Kun opit näkemään raajan vipuna, gepardin jalka, myyrän tassu ja oma käsivartesi alkavat kaikki tuntua järkeviltä.

Lihakset vain vetävät. Lihas lyhenee, kun se aktivoituu, ja muuta se ei voi tehdä. Se ei voi työntää. Jotta nivel voisi liikkua molempiin suuntiin, elimistö käyttää vastavaikuttajapareja: kahta lihasta nivelen vastakkaisilla puolilla. Olkavarressa hauislihas koukistaa kyynärpäätä ja ojentajalihas ojentaa sen. Kun toinen vetää, toinen rentoutuu.

Lihas kiinnittyy luuhun jänteellä, joka on sitkeä säiepunos. Kun lihas lyhenee, se vetää jännettä, jänne vetää luuta ja luu kiertyy nivelen ympäri.

Vivun sääntö. Kiertävää vaikutusta kutsutaan momentiksi: se on voima kerrottuna sen kohtisuoralla etäisyydellä nivelestä. Paikallaan pysyvään raajaan vaikuttavat yhtä suuret ja vastakkaissuuntaiset momentit:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

Mekaaninen etu on MA = d_muscle / d_load. Useimmat lihakset kiinnittyvät hyvin lähelle niveltä, joten d_muscle on pieni ja MA on alle 1. Tämä tarkoittaa, että lihaksen täytyy vetää kovemmin kuin sen kannatteleman kuorman.

Ratkaistu esimerkki (yksinkertaistettu). Pidä kädessäsi 2 kg:n laukkua kyynärvarsi vaakasuorassa. Kuorman voima on 2 kg × 9,81 m/s² ≈ 19,6 N. Oletetaan, että hauislihas vetää 4 cm:n etäisyydeltä kyynärpäästä ja laukku on 32 cm:n päässä kyynärpäästä. Silloin F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. Lihas vetää noin kahdeksan kertaa laukun painon verran. (Jätimme kyynärvarren oman painon huomiotta, joten oikeassa tilanteessa lihas vetää hieman enemmän.)

Mistä luovut ja mitä saat. Sama lyhyt kiinnityskohta, joka heikentää voimaa, antaa nopeutta ja liikerataa. Kun hauislihas lyhenee 1 cm, käsi liikkuu 8 cm. Käsi on kahdeksan kertaa kauempana kyynärpäästä kuin jänne, joten se kulkee saman ajan kuluessa kahdeksan kertaa pidemmän matkan eli kahdeksan kertaa nopeammin.

Eläimet joutuvat siis tekemään kompromissin. Raaja, jossa on lyhyt lihaksen momenttivarsi ja pitkä kuorman momenttivarsi, on nopea mutta heikko. Raaja, jossa on pitkä lihaksen momenttivarsi ja lyhyt kuorman momenttivarsi, on hidas mutta voimakas. Evoluutio säätää tätä suhdetta käyttötarkoituksen mukaan:

• Juoksijalla, kuten hevosella tai gasellilla, on pitkä ja kevyt sääri. Jalka liikkuu pitkän matkan jokaista lihaksen lyhenemistä kohden: nopeutta.
• Kaivajalla, kuten kontiaisella tai vyötiäisellä, on lihakselle pitkä vipu (pitkä luinen uloke kyynärpäässä, johon suuri ojentajalihas kiinnittyy) ja tassussa lyhyet, vahvat luut. Se vaihtaa liikerataa voimaan.

Sama rakenne, eri tehtävät. Katso ihmisen käsivarren, lepakon siiven, valaan evän ja hevosen jalan sisälle. Jokaisessa niistä on sama luusarja: yksi pitkä luu yläraajassa ( olkaluu), kaksi alaraajassa (värttinäluu ja kyynärluu), pieniä ranneluita sekä käden ja sormien luita. Tätä kutsutaan viisisormiseksi raajaksi (”viisisorminen”). Yksityiskohdat vaihtelevat: hevosella on yksi pitkä varvas, lepakolla erittäin pitkät sormet ja valaan sormet ovat evän sisällä. Biologit kutsuvat luita, joilla on sama alkuperä tehtävästä riippumatta, homologisiksi rakenteiksi. Ne ovat evidenssiä siitä, että nämä eläimet polveutuvat yhteisestä esi-isästä.

Ole tarkkana samannäköisen idean kanssa. Linnun siipi ja hyönteisen siipi tekevät saman tehtävän, mutta ne on rakennettu täysin erilaisista osista. Ne ovat analogisia, eivät homologisia.