E33 Biologische Gelenke und Hebel

Thema

Dieses Insektengelenk, genauer gesagt dieser Gelenkbereich der Kutikula, der bereits ein weiteres Modell dieser Anordnung darstellt, fungiert im Allgemeinen als eigenes biologisches Hebelsystem. Hierbei bestimmt das Archimedische Prinzip den optimalen Kompromiss zwischen Kraft und Geschwindigkeit des Systems.

Ein Gelenk mit deutlich geringer mechanischer Übersetzung, bei dem der Lastarm den Muskelarm bei Weitem übersteigt, erhöht hingegen die Endgeschwindigkeit des Systems auf Kosten der Kraft – genau die gleiche Verstärkung, die beispielsweise durch das Sprungbein eines Hummers oder die Mandibeln einer Fallen jagenden Ameise erreicht wird. Die Tatsache, dass der Lastarm dieses Gelenks sogar noch länger ist als der Muskelarm, führt folglich zu einer noch größeren Endgeschwindigkeit des Gelenks, ebenfalls auf Kosten der Kraft.

Resilin, ein spezifisches elastisches Protein in diesem Gelenk, besitzt eine der höchsten bekannten Energiespeicherkapazitäten aller Insekten. Es wirkt wie eine nahezu perfekte Feder, die die kinetische Energie speichert und beim nächsten Sprung oder der nächsten Bewegung des Insekts freisetzt. Dieselbe elastische Energie findet sich auch in einem anderen Modell dieses Systems, genauer gesagt in der Kutikula und im Flügelband eines Flügelschlags.

Einige Insekten besitzen jedoch einen einzigartigen biologischen Mechanismus zwischen ihren Sprungbeinen, der die Bewegungen beider Beine synchronisiert.

Daher ermöglicht dieses Modell mit seinem biologischen Hebelsystem und dem darin definierten Kompromiss zwischen Kraft und Geschwindigkeit, dass das Newtonsche Rotationsgesetz die finale Winkeldynamik jedes einzelnen Segments dieses Insekts beschreibt. Dies umfasst sowohl das Muskelmoment als auch das aerodynamische Moment, die bereits in einem anderen Modell dieses Systems ermittelt wurden, sowie zusätzliche Gravitations- und Trägheitsmomente. Die Tatsache, dass das Muskeldrehmoment dieses Insektengelenks im Verhältnis zu diesen aerodynamischen, gravitativen und Trägheitsdrehmomenten noch weiter zunimmt, bedeutet, dass folglich auch die endgültige Winkelgeschwindigkeit dieses bestimmten Segments gemäß dem gleichen Newtonschen Rotationsgesetz, das dieses Modell vervollständigt, noch größer ist.

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