Esqueletos e alavancas

Todo animal que anda, corre, nada ou voa é uma máquina formada por três tipos de partes: ossos que mantêm sua forma, articulações que permitem que ele faça curvas e músculos que fornecem a força. Junte tudo isso e você terá um conjunto de alavancas. Quando você aprende a enxergar um membro como uma alavanca, a perna de um guepardo, a pata de uma toupeira e o seu próprio braço começam a fazer sentido.

Músculos só puxam. Um músculo fica mais curto quando é ativado, e isso é tudo o que ele consegue fazer. Ele não consegue empurrar. Para mover uma articulação nas duas direções, o corpo usa pares antagônicos: dois músculos em lados opostos de uma articulação. No seu braço, o bíceps dobra o cotovelo e o tríceps o estica. Quando um puxa, o outro relaxa.

Um músculo se liga ao osso por meio de um tendão, um cordão resistente de fibras. Quando o músculo fica mais curto, ele puxa o tendão, o tendão puxa o osso e o osso gira em torno da articulação.

A regra da alavanca. Um efeito de rotação é chamado de momento: força multiplicada pela distância perpendicular até a articulação. Um membro que está parado tem momentos iguais e opostos:

F_muscle × d_muscle = F_load × d_load

A vantagem mecânica é MA = d_muscle / d_load. A maioria dos músculos se fixa muito perto da articulação, então d_muscle é pequeno e MA é menor que 1. Isso significa que o músculo precisa puxar com mais força do que a carga que ele sustenta.

Exemplo resolvido (simplificado). Segure uma bolsa de 2 kg na mão, com o antebraço na horizontal. A carga é 2 kg × 9,81 m/s² ≈ 19,6 N. Suponha que o bíceps puxe a 4 cm do cotovelo e que a bolsa esteja a 32 cm do cotovelo. Então, F_muscle = 19.6 N × 0.32 m / 0.04 m ≈ 157 N. O músculo puxa cerca de oito vezes o peso da bolsa. (Ignoramos o peso do próprio antebraço, então, na realidade, o músculo puxa um pouco mais.)

O que você perde e o que você ganha. A mesma inserção curta que custa força proporciona velocidade e alcance. Quando o bíceps encurta 1 cm, a mão se move 8 cm. A mão está oito vezes mais longe do cotovelo do que o tendão, então percorre oito vezes mais distância, no mesmo tempo, oito vezes mais rápido.

Assim, os animais enfrentam uma troca. Um membro com um braço de alavanca muscular curto e um braço de carga longo é rápido, mas fraco. Um membro com um braço de alavanca muscular longo e um braço de carga curto é lento, mas forte. A evolução ajusta essa razão para cada tarefa:

• Um corredor, como um cavalo ou uma gazela, tem uma perna inferior longa e leve. O pé percorre uma longa distância a cada pequeno encurtamento do músculo: velocidade.
• Um escavador, como uma toupeira ou um tatu, tem uma alavanca longa para o músculo (uma projeção óssea longa no cotovelo, onde o grande tríceps se fixa) e ossos curtos e robustos na pata. Ele troca alcance por força.

Mesmo plano, funções diferentes. Observe o interior do braço humano, da asa de um morcego, da nadadeira de uma baleia e da perna de um cavalo. Em todos eles, você encontra a mesma sequência de ossos: um osso longo no membro superior (o úmero), dois no membro inferior (rádio e ulna), pequenos ossos do pulso e ossos da mão e dos dedos. Esse é o membro pentadáctilo ('com cinco dedos'). Os detalhes variam: o cavalo tem um dedo longo, o morcego tem dedos muito compridos e os dedos da baleia ficam dentro de uma nadadeira. Os biólogos chamam de estruturas homólogas os ossos que têm a mesma origem, qualquer que seja sua função. Eles são evidência de que esses animais descendem de um ancestral comum.

Cuidado com uma ideia parecida. A asa de uma ave e a asa de um inseto fazem a mesma coisa, mas são formadas por partes completamente diferentes. Elas são análogas, não homólogas.