Kerangka dan tuas

Setiap hewan yang berjalan, berlari, berenang, atau terbang adalah mesin yang tersusun dari tiga jenis bagian: tulang yang menopang bentuk tubuhnya, sendi yang memungkinkannya berputar, dan otot yang menghasilkan gaya. Jika digabungkan, semuanya membentuk sekumpulan tuas. Setelah kamu dapat memahami anggota tubuh sebagai tuas, kaki cheetah, telapak kaki tikus tanah, dan lenganmu sendiri mulai terlihat masuk akal.

Otot hanya menarik. Otot memendek saat diaktifkan, dan hanya itu yang bisa dilakukannya. Otot tidak bisa mendorong. Untuk menggerakkan sendi ke dua arah, tubuh menggunakan pasangan antagonis: dua otot di sisi berlawanan sebuah sendi. Di lengan atasmu, bisep menekuk siku dan trisep meluruskannya. Saat salah satunya menarik, yang lain mengendur.

Otot melekat pada tulang melalui tendon, yaitu tali kuat yang tersusun dari serat. Saat otot memendek, otot menarik tendon, tendon menarik tulang, lalu tulang berputar pada sendi.

Aturan tuas. Efek berputar disebut momen: gaya dikalikan jarak tegak lurusnya dari sendi. Anggota tubuh yang tetap diam memiliki momen yang sama besar dan berlawanan arah:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

Keuntungan mekanis adalah MA = d_muscle / d_load. Sebagian besar otot melekat sangat dekat dengan sendi, jadi d_muscle kecil dan MA kurang dari 1. Artinya, otot harus menarik lebih kuat daripada beban yang ditahannya.

Contoh soal (disederhanakan). Pegang tas seberat 2 kg di tanganmu dengan lengan bawah mendatar. Bebannya adalah 2 kg × 9,81 m/s² ≈ 19,6 N. Anggap bisep menarik pada jarak 4 cm dari siku dan tas berada 32 cm dari siku. Maka F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. Otot menarik sekitar delapan kali berat tas. (Kita mengabaikan berat lengan bawah, jadi otot sebenarnya menarik sedikit lebih kuat.)

Yang dikorbankan dan yang didapatkan. Titik pelekatan yang pendek dan mengurangi gaya memberikan kelajuan dan jangkauan. Saat bisep memendek 1 cm, tangan bergerak 8 cm. Tangan berada delapan kali lebih jauh dari siku dibandingkan tendon, jadi tangan bergerak menempuh jarak delapan kali lebih jauh, dalam waktu yang sama, dengan kelajuan delapan kali lebih besar.

Jadi, hewan menghadapi pertukaran. Anggota tubuh dengan lengan otot yang pendek dan lengan beban yang panjang adalah cepat tetapi lemah. Anggota tubuh dengan lengan otot yang panjang dan lengan beban yang pendek adalah lambat tetapi kuat. Evolusi menyesuaikan rasio ini dengan kebutuhan:

• Pelari seperti kuda atau gazel memiliki tungkai bawah yang panjang dan ringan. Kakinya bergerak menempuh jarak yang jauh untuk setiap sedikit pemendekan otot: menghasilkan kelajuan.
• Penggali seperti tikus tanah atau armadilo memiliki tuas yang panjang untuk ototnya (proyeksi tulang yang panjang di siku, tempat trisep besar melekat) serta tulang pendek dan kokoh di telapak kakinya. Hewan ini menukar jangkauan dengan gaya.

Rancangan sama, fungsi berbeda. Lihat bagian dalam lengan manusia, sayap kelelawar, sirip paus, dan kaki kuda. Pada masing-masing, kamu akan menemukan urutan tulang yang sama: satu tulang panjang di anggota gerak atas (yaitu humerus), dua tulang di bagian bawah (radius dan ulna), tulang-tulang kecil di pergelangan, serta tulang untuk telapak dan jari. Ini disebut anggota gerak pentadaktil ("berjari lima"). Detailnya berbeda: kuda memiliki satu jari kaki yang panjang, kelelawar memiliki jari-jari yang sangat panjang, dan jari-jari paus berada di dalam sirip. Para ahli biologi menyebut tulang-tulang yang memiliki asal-usul sama, apa pun fungsinya, sebagai struktur homolog. Struktur ini menjadi bukti bahwa hewan-hewan tersebut berasal dari nenek moyang yang sama.

Hati-hati dengan gagasan yang tampak mirip. Sayap burung dan sayap serangga memiliki fungsi yang sama, tetapi tersusun dari bagian-bagian yang sepenuhnya berbeda. Keduanya analog, bukan homolog.