كونك كبيرًا هو ميزة طفيفة من حيث السرعة ولكنه عيب ميكانيكي كبير من نواح كثيرة أخرى. لا تعمل الحيوانات الكبيرة أسرع من الحيوانات الصغيرة. تساوي سرعة الحيوان طول خطوته مضروبًا في عدد الخطوات التي يستغرقها في الدقيقة. الحيوانات الكبيرة لها أرجل طويلة وخطوتها أطول نسبيًا ، لكنها تواجه صعوبة أكبر في جعل أرجلها الكبيرة تتحرك ذهابًا وإيابًا بسرعة.
إن إرهاقهم المتزايد يلغي بشكل مثالي تقريبًا ميزة الأرجل الأطول مثل زيادة حجم الحيوان. تتناسب القوة التي يمكن أن تتحملها العضلة على أحد الأطراف لتسريعها مع منطقة المقطع العرضي للألياف العضلية - يمكن للحبل السميك أن يجتذب بقوة أكبر من الحبل الرفيع. لذلك يمكن للحيوانات الكبيرة أن تمارس قوة على أرجلها أكثر من تلك الصغيرة. ولكن هذه الميزة يقابلها عيب يتراكم بشكل أسرع مع زيادة الحجم: تصبح الأطراف أثقل. تزداد مساحة المقطع العرضي مع مربع الطول فقط ، بينما تزداد كتلة الحيوان وأجزائه المتحركة المنفصلة مع تكعيب الحجم أو الطول. وهكذا كلما زاد حجم الحيوان ، يزداد وزن ساقيه أسرع من القوة العضلية المتاحة لجعل تلك الأرجل تتحرك بسرعة. سيكون الأمر أشبه بمحاولة جعل السيارة تسير بشكل أسرع عن طريق وضع محرك أكبر ، فقط لتجد أن الوزن الزائد لهذا المحرك الأكبر والإطار المعزز اللازم لدعمه يجعل السيارة تعمل بشكل أبطأ.
لذلك ، بينما يزداد طول الخطوة بما يتناسب مع طول ساق الحيوان ، يقل تكرار الخطوات بنفس النسبة تقريبًا ، لذا تظل السرعة كما هي بغض النظر عن الحجم.
ينطبق هذا الحساب فقط على الحيوانات المتشابهة هندسيًا - أي التي تتكون أطرافها وعضلاتها كلها بنفس النسب. لكن الخيول طورت بعض الطرق للالتفاف على خطة قطع ملفات تعريف الارتباط وبالتالي التغلب على الصعاب.
أرجلهم طويلة بشكل غير متناسب بالنسبة لحيوان بحجمها ، وعضلاتهم مرتبة بطرق فريدة لزيادة وتيرة الخطوات. تسمح هذه التعديلات للخيول بالوصول إلى سرعات قصوى بشكل أكبر من أي حيوان بري آخر من نفس الحجم.
ومع ذلك ، فإن الشيء الأكثر لفتًا للنظر في ميكانيكا الحصان لا يتعلق بكيفية بلوغه للسرعات التي يحققها ، بل بالأحرى كيف يتعامل مع المشكلات المصاحبة لكونه سريعًا وكبيرًا.
يتفوق الحصان حقًا في عالم التحمل. على الرغم من وزنه الكبير ، يمكن للحصان الحفاظ على سرعته لمسافات شاسعة. قطعت الخيول مسافة 80 كيلومترًا في ما يزيد قليلاً عن أربع ساعات. يتطلب هذا الأداء كفاءة غير عادية في التصميم الميكانيكي.
في الوقت نفسه ، فإن كونها كبيرة وثقيلة وسريعة تضع أحمالًا هيكلية هائلة على الأطراف. يجب أن تكون خفيفة الوزن لتحقيق تسارعات عالية وقوية بما يكفي لتحمل تأثير الركض على التضاريس غير المستوية.
يعد تصميم شيء خفيف وقوي في آن واحد مشكلة هندسة ميكانيكية كلاسيكية. بدأ المهندسون منذ وقت ليس ببعيد في إدراك أن المهندسين يمكنهم تطبيق نفس الأساليب التي تم تطويرها لتحليل كيفية تحمل المواد تحت الحمل في المباني أو الطائرات للحيوانات والنباتات لفهم سبب اتخاذهم للأشكال التي يقومون بها.
في بعض الأحيان ، أشارت هذه الدراسات "الميكانيكية الحيوية" إلى حلول هندسية لمشكلات التصميم الديناميكي الهوائي أو الروبوتي الصعبة ، والتي كانت الطبيعة قد تعرضت لها بالفعل من خلال التجربة الطويلة والخطأ في التطور. قصة كيفية تطور أرجل الحصان لتحقيق توازن معقد بين السرعة والكفاءة والقوة هي أيضًا قصة هندسية.
اترك تعليق