Тема 1.
Движение животных как характерное для них проявление активности
Механизм мышечного сокращения универсален (ФЖ, с. 569–78), отсюда КПД (20–25%) и характерное значение максимальной силы 40–50 Н/см2 (ФЖ, с. 579) поперечного сечения мышцы (для быстрой мускулатуры)
Варианты движения представляет (в 1-м приближении) перемещение тела в целом – как материальной точки.
Более подробное разделение: работа собственно мускулатуры биомеханика с разделением работы мышц и опорно-двигательной системы (рассматриваем в курсе биофизики и как темы предварительного индивидуального изучения в заданиях)
= последовательные приближения при анализе – перемещение объекта в целом, разделение на этапы и типы движения + начинать анализ с наиболее простых и ясно интерпретируемых этапов + сначала фиксировать результат (как экспериментальные данные), а затем пытаться его объяснить (или определять ориентир теоретически, а затем проверять соответствие данным и уточнять дальше)
Разделение составляющих развиваемой механической мощности:
изменение активности + поддержание активности
Иллюстрация применения к экспериментальным данным – работа студента
(П) разгон лошади на скачках
N = m a v + F v,
N – развиваемая механическая мощность, m a v – механические затраты на разгон, F v – затраты на поддержание скорости, F – «сила сопротивления» (в прямом или переносном смысле
(И) подъем вверх – «сила сопротивления» (затраты) не зависят от массы F = m g
(Д) подтверждается (ФЖ, с. )
Затраты на движение – в зависимости от массы (m – масса в кг): типовые (на поддержание движения – отнесены к 1 кг массы животного)
бег 2,7 m-7/18 ккал/(кг км)
полет 0,9 m-5/18 ккал/(кг км)
плавание 0,4 m-5/18 ккал/(кг км)
Как они определены?
Эти величины определены путем измерения скорости потребления О2 (т.е. равны выделению энергии в форме теплоты, которое сопровождает движение, и, следовательно, уже учитывают КПД превращения химической энергии в механическую работу) за вычетом основного обмена
(Д) такое разделение вполне корректно ФЖ, с. 286–7 (хотя точность не абсолютная)
Скорость – предпочтительная (выбираемая как целесообразная) по соотношению эффект/затраты
(П) ее можно определить для полета по данным для попугайчика (ФЖ, с. 289)
(!) для специализированного организма (полет – для птицы, плавание – для рыбы, бег = бег на 4-х конечностях)
(М) если данный организм не специализирован для данного типа движения (человек или птица – для плавания), то можно выразить в какой мере может использовать свои возможности, тогда можно получить количественное выражение (оценку) для него
Задание (на основе работы «Плавание человека»): выразить эффект количественно и аналитически, получить оценку в сравнении с типовыми затратами
+ аналогично для птиц, которые, например, ныряя, ловят рыбу (см. научно-популярные фильмы)
Объяснение (теоретический ориентир): изменение затрат на движение в аллометрических зависимостях (по сути, это «сила сопротивления» с учетом КПД), близкое к m2/3 соответствует изменению геометрических характеристик. Для плавания и полета (с преодолением сопротивления среды) это соотношение S/V (площадь/объем) или аналогичное геометрическое соотношение для бега или ходьбы, если принять, что затраты – это подъем конечности на заданную высоту (грубо: определяемую например, характерной неровностью поверхности и поэтому одинаковой для животных любой массы)
Более подробно – это предмет для заданий (с обсуждением общих подходов в курсе «Биофизика»)
В этой связи затраты на бег полезно соотнести с затратами на подъем вверх и интенсивностью обмена как энергопотреблением, определяющим механическую мощность (с учетом КПД)
= полезное упражнение при подготовке к контрольной работе