Scheletri e leve

Ogni animale che cammina, corre, nuota o vola è una macchina formata da tre tipi di parti: ossa che mantengono la forma, articolazioni che permettono di cambiare direzione e muscoli che forniscono la forza. Mettile insieme e ottieni un sistema di leve. Quando impari a leggere un arto come una leva, la zampa di un ghepardo, la zampa di una talpa e il tuo braccio iniziano tutti ad avere senso.

I muscoli tirano soltanto. Un muscolo si accorcia quando viene attivato, e questo è tutto ciò che può fare. Non può spingere. Per muovere un'articolazione in entrambe le direzioni, il corpo usa coppie antagoniste: due muscoli sui lati opposti di un'articolazione. Nel braccio, il bicipite piega il gomito e il tricipite lo raddrizza. Quando uno tira, l'altro si rilassa.

Un muscolo è attaccato all'osso tramite un tendine, un cordone resistente di fibre. Quando il muscolo si accorcia, tira il tendine, il tendine tira l'osso e l'osso ruota attorno all'articolazione.

La regola della leva. Un effetto rotatorio si chiama momento: forza moltiplicata per la distanza perpendicolare dall'articolazione. Un arto fermo ha momenti uguali e opposti:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

Il vantaggio meccanico è MA = d_muscle / d_load. La maggior parte dei muscoli si inserisce molto vicino all'articolazione, quindi d_muscle è piccolo e MA è minore di 1. Questo significa che il muscolo deve tirare più forte del carico che sostiene.

Esempio svolto (semplificato). Tieni in mano una borsa di 2 kg con l'avambraccio orizzontale. Il carico è 2 kg × 9,81 m/s² ≈ 19,6 N. Supponiamo che il bicipite tiri a 4 cm dal gomito e che la borsa si trovi a 32 cm dal gomito. Quindi F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. Il muscolo tira con una forza di circa otto volte il peso della borsa. (Abbiamo ignorato il peso dell'avambraccio, quindi nella realtà il muscolo tira un po' di più.)

A cosa rinunci e cosa ottieni. Lo stesso attacco corto che fa perdere forza permette di ottenere velocità e intervallo. Quando il bicipite si accorcia di 1 cm, la mano si sposta di 8 cm. La mano si trova otto volte più lontana dal gomito rispetto al tendine, quindi percorre una distanza otto volte maggiore, nello stesso tempo, a una velocità otto volte superiore.

Gli animali devono quindi trovare un compromesso. Un arto con un braccio del muscolo corto e un braccio del carico lungo è veloce ma debole. Un arto con un braccio del muscolo lungo e un braccio del carico corto è lento ma forte. L'evoluzione regola questo rapporto in base al compito:

• Un corridore, come un cavallo o una gazzella, ha una parte inferiore della gamba lunga e leggera. Il piede percorre una lunga distanza per ogni bit di accorciamento del muscolo: velocità.
• Un escavatore, come una talpa o un armadillo, ha una leva lunga per il muscolo (una lunga proiezione ossea sul gomito, dove si inserisce il grande tricipite) e ossa corte e robuste nella zampa. Rinuncia all'intervallo per ottenere forza.

Stesso schema, funzioni diverse. Guarda dentro un braccio umano, l'ala di un pipistrello, la pinna di una balena e la zampa di un cavallo. In ognuno trovi la stessa sequenza di ossa: un osso lungo nell'arto superiore (l'omero), due in quello inferiore (il radio e l'ulna), piccole ossa del polso e ossa per la mano e le dita. Questo è l'arto pentadattilo («a cinque dita»). I dettagli cambiano: il cavallo ha un dito lungo, il pipistrello ha dita molto lunghe e le dita della balena sono dentro una pinna. I biologi chiamano strutture omologhe le ossa che hanno la stessa origine, qualunque sia la loro funzione. Sono un'evidenza del fatto che questi animali discendono da un antenato comune.

Fai attenzione a un'idea simile solo in apparenza. L'ala di un uccello e quella di un insetto svolgono la stessa funzione, ma sono formate da parti completamente diverse. Sono analoghe, non omologhe.