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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo M2 - Locomoción Elástica (Correr, Trotar, Galopar)
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:3334
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Dinámica resorte-masa del apoyo
¿Cómo rebota el centro de masa sobre una extremidad elástica durante carrera y trote?
Grupo 2: Grupo 2: Almacenamiento y retorno tendinoso
¿Cómo almacenan y devuelven energía los tendones durante el contacto con el suelo?
Grupo 3: Grupo 3: Rigidez efectiva y similitud dinámica
¿Cómo combina la rigidez de la extremidad con longitud, masa y gravedad para producir similitud entre tamaños?
Grupo 4: Grupo 4: Transición de trote a galope
¿Cómo dispara la velocidad adimensional el cambio de trote a galope y qué cambia en el apoyo?
Grupo 5: Grupo 5: Costo de transporte y escala corporal
¿Cómo se traduce el ahorro de trabajo muscular en costo de transporte y cómo escala con la masa?
Grupo 6: Grupo 6: Especialización elástica extrema
¿Cómo reducen guepardo y canguro las pérdidas tendinosas y el trabajo muscular activo?
Grupo 7: Grupo 7: Resonancia y frecuencia óptima
¿Cómo determina la resonancia natural del sistema resorte-masa la frecuencia económicamente óptima?
ID:1136
Grupo 1: Grupo 1: Dinámica resorte-masa del apoyo
Descripción
¿Cómo rebota el centro de masa sobre una extremidad elástica durante carrera y trote?
Pregunta clave: ¿Cómo rebota el centro de masa sobre una extremidad elástica durante carrera y trote?
En la carrera y en el trote, el cuerpo rebota sobre los miembros de apoyo como si fuera una masa sostenida por un resorte: la energía potencial y la energía cinética del centro de masa son mínimas a la mitad del apoyo, cuando el resorte está más comprimido, y máximas al principio y al final del apoyo, justo lo opuesto de lo que ocurre al caminar. El sistema resorte-masa que forman juntos la extremidad y el cuerpo, mencionado al comienzo, tiene además una frecuencia de rebote a la que resulta más económico correr: esa frecuencia óptima coincide con la frecuencia de resonancia natural del propio sistema resorte-masa, y correr cerca de esa frecuencia de resonancia es lo que minimiza el gasto energético activo que el animal necesita aportar durante la carrera. A medida que esa velocidad adimensional aumenta lo suficiente, el trote da paso al galope: el galope introduce fases aéreas en las que ningún miembro toca el suelo, y un patrón de apoyo distinto entre las cuatro patas. El ahorro de trabajo muscular activo que logran los tendones elásticos, descrito en el mecanismo anterior, se refleja finalmente en el costo de transporte al correr: la energía que cuesta desplazar cada unidad de masa corporal a lo largo de cada unidad de distancia no es la misma para todos los tamaños corporales, sino que disminuye a medida que aumenta la masa del animal, siguiendo una potencia negativa de la masa corporal de magnitud cercana a un tercio, de modo que los animales grandes resultan, por cada kilogramo de su propio cuerpo, más económicos al correr que los animales pequeños. Ese comportamiento de resorte se sostiene, en gran medida, en los tendones elásticos de la extremidad —como el tendón de Aquiles o el tendón patelar—, que almacenan energía durante la primera mitad del contacto con el suelo y la devuelven durante la segunda mitad, reduciendo así cuánto trabajo activo deben realizar los músculos en cada zancada.
ID:5919
Grupo 2: Grupo 2: Almacenamiento y retorno tendinoso
Descripción
¿Cómo almacenan y devuelven energía los tendones durante el contacto con el suelo?
Pregunta clave: ¿Cómo almacenan y devuelven energía los tendones durante el contacto con el suelo?
Ese comportamiento de resorte se sostiene, en gran medida, en los tendones elásticos de la extremidad —como el tendón de Aquiles o el tendón patelar—, que almacenan energía durante la primera mitad del contacto con el suelo y la devuelven durante la segunda mitad, reduciendo así cuánto trabajo activo deben realizar los músculos en cada zancada. Algunos mamíferos, como el guepardo o el canguro, llevan estos tendones elásticos a un extremo particular: sus tendones almacenan y devuelven energía con pérdidas mínimas en cada zancada, funcionando casi como resortes puramente pasivos que asumen buena parte del trabajo mecánico de correr, reduciendo todavía más el trabajo muscular activo que el animal necesita generar en cada zancada. El ahorro de trabajo muscular activo que logran los tendones elásticos, descrito en el mecanismo anterior, se refleja finalmente en el costo de transporte al correr: la energía que cuesta desplazar cada unidad de masa corporal a lo largo de cada unidad de distancia no es la misma para todos los tamaños corporales, sino que disminuye a medida que aumenta la masa del animal, siguiendo una potencia negativa de la masa corporal de magnitud cercana a un tercio, de modo que los animales grandes resultan, por cada kilogramo de su propio cuerpo, más económicos al correr que los animales pequeños. En los mamíferos especializados en este tipo de locomoción, la eficiencia con que estos tendones devuelven la energía que almacenaron llega a estar entre un ochenta y cinco y un noventa y cinco por ciento. En la carrera y en el trote, el cuerpo rebota sobre los miembros de apoyo como si fuera una masa sostenida por un resorte: la energía potencial y la energía cinética del centro de masa son mínimas a la mitad del apoyo, cuando el resorte está más comprimido, y máximas al principio y al final del apoyo, justo lo opuesto de lo que ocurre al caminar.
ID:5920
Grupo 3: Grupo 3: Rigidez efectiva y similitud dinámica
Descripción
¿Cómo combina la rigidez de la extremidad con longitud, masa y gravedad para producir similitud entre tamaños?
Pregunta clave: ¿Cómo combina la rigidez de la extremidad con longitud, masa y gravedad para producir similitud entre tamaños?
Al combinar esa rigidez con la longitud de la extremidad, la masa del animal y la gravedad en un único número adimensional, ese número resulta prácticamente el mismo en animales de tamaños muy distintos, siempre que se los compare a la misma velocidad adimensional relativa a su propio tamaño. La rigidez con la que se comporta la extremidad de apoyo, es decir, cuánto se comprime ese resorte efectivo bajo una carga dada, es la variable central que controla todo este comportamiento elástico. El ahorro de trabajo muscular activo que logran los tendones elásticos, descrito en el mecanismo anterior, se refleja finalmente en el costo de transporte al correr: la energía que cuesta desplazar cada unidad de masa corporal a lo largo de cada unidad de distancia no es la misma para todos los tamaños corporales, sino que disminuye a medida que aumenta la masa del animal, siguiendo una potencia negativa de la masa corporal de magnitud cercana a un tercio, de modo que los animales grandes resultan, por cada kilogramo de su propio cuerpo, más económicos al correr que los animales pequeños. A medida que esa velocidad adimensional aumenta lo suficiente, el trote da paso al galope: el galope introduce fases aéreas en las que ningún miembro toca el suelo, y un patrón de apoyo distinto entre las cuatro patas. El sistema resorte-masa que forman juntos la extremidad y el cuerpo, mencionado al comienzo, tiene además una frecuencia de rebote a la que resulta más económico correr: esa frecuencia óptima coincide con la frecuencia de resonancia natural del propio sistema resorte-masa, y correr cerca de esa frecuencia de resonancia es lo que minimiza el gasto energético activo que el animal necesita aportar durante la carrera.
ID:5921
Grupo 4: Grupo 4: Transición de trote a galope
Descripción
¿Cómo dispara la velocidad adimensional el cambio de trote a galope y qué cambia en el apoyo?
Pregunta clave: ¿Cómo dispara la velocidad adimensional el cambio de trote a galope y qué cambia en el apoyo?
A medida que esa velocidad adimensional aumenta lo suficiente, el trote da paso al galope: el galope introduce fases aéreas en las que ningún miembro toca el suelo, y un patrón de apoyo distinto entre las cuatro patas. La transición del trote al galope ocurre, en la mayoría de los mamíferos cuadrúpedos, quedando ese número adimensional dentro de un rango que va aproximadamente de dos a tres.
ID:5922
Grupo 5: Grupo 5: Costo de transporte y escala corporal
Descripción
¿Cómo se traduce el ahorro de trabajo muscular en costo de transporte y cómo escala con la masa?
Pregunta clave: ¿Cómo se traduce el ahorro de trabajo muscular en costo de transporte y cómo escala con la masa?
El ahorro de trabajo muscular activo que logran los tendones elásticos, descrito en el mecanismo anterior, se refleja finalmente en el costo de transporte al correr: la energía que cuesta desplazar cada unidad de masa corporal a lo largo de cada unidad de distancia no es la misma para todos los tamaños corporales, sino que disminuye a medida que aumenta la masa del animal, siguiendo una potencia negativa de la masa corporal de magnitud cercana a un tercio, de modo que los animales grandes resultan, por cada kilogramo de su propio cuerpo, más económicos al correr que los animales pequeños. Algunos mamíferos, como el guepardo o el canguro, llevan estos tendones elásticos a un extremo particular: sus tendones almacenan y devuelven energía con pérdidas mínimas en cada zancada, funcionando casi como resortes puramente pasivos que asumen buena parte del trabajo mecánico de correr, reduciendo todavía más el trabajo muscular activo que el animal necesita generar en cada zancada. El sistema resorte-masa que forman juntos la extremidad y el cuerpo, mencionado al comienzo, tiene además una frecuencia de rebote a la que resulta más económico correr: esa frecuencia óptima coincide con la frecuencia de resonancia natural del propio sistema resorte-masa, y correr cerca de esa frecuencia de resonancia es lo que minimiza el gasto energético activo que el animal necesita aportar durante la carrera. Al combinar esa rigidez con la longitud de la extremidad, la masa del animal y la gravedad en un único número adimensional, ese número resulta prácticamente el mismo en animales de tamaños muy distintos, siempre que se los compare a la misma velocidad adimensional relativa a su propio tamaño.
ID:5923
Grupo 6: Grupo 6: Especialización elástica extrema
Descripción
¿Cómo reducen guepardo y canguro las pérdidas tendinosas y el trabajo muscular activo?
Pregunta clave: ¿Cómo reducen guepardo y canguro las pérdidas tendinosas y el trabajo muscular activo?
Algunos mamíferos, como el guepardo o el canguro, llevan estos tendones elásticos a un extremo particular: sus tendones almacenan y devuelven energía con pérdidas mínimas en cada zancada, funcionando casi como resortes puramente pasivos que asumen buena parte del trabajo mecánico de correr, reduciendo todavía más el trabajo muscular activo que el animal necesita generar en cada zancada. Ese comportamiento de resorte se sostiene, en gran medida, en los tendones elásticos de la extremidad —como el tendón de Aquiles o el tendón patelar—, que almacenan energía durante la primera mitad del contacto con el suelo y la devuelven durante la segunda mitad, reduciendo así cuánto trabajo activo deben realizar los músculos en cada zancada. El ahorro de trabajo muscular activo que logran los tendones elásticos, descrito en el mecanismo anterior, se refleja finalmente en el costo de transporte al correr: la energía que cuesta desplazar cada unidad de masa corporal a lo largo de cada unidad de distancia no es la misma para todos los tamaños corporales, sino que disminuye a medida que aumenta la masa del animal, siguiendo una potencia negativa de la masa corporal de magnitud cercana a un tercio, de modo que los animales grandes resultan, por cada kilogramo de su propio cuerpo, más económicos al correr que los animales pequeños.
ID:5924
Grupo 7: Grupo 7: Resonancia y frecuencia óptima
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¿Cómo determina la resonancia natural del sistema resorte-masa la frecuencia económicamente óptima?
Pregunta clave: ¿Cómo determina la resonancia natural del sistema resorte-masa la frecuencia económicamente óptima?
El sistema resorte-masa que forman juntos la extremidad y el cuerpo, mencionado al comienzo, tiene además una frecuencia de rebote a la que resulta más económico correr: esa frecuencia óptima coincide con la frecuencia de resonancia natural del propio sistema resorte-masa, y correr cerca de esa frecuencia de resonancia es lo que minimiza el gasto energético activo que el animal necesita aportar durante la carrera. En la carrera y en el trote, el cuerpo rebota sobre los miembros de apoyo como si fuera una masa sostenida por un resorte: la energía potencial y la energía cinética del centro de masa son mínimas a la mitad del apoyo, cuando el resorte está más comprimido, y máximas al principio y al final del apoyo, justo lo opuesto de lo que ocurre al caminar.
ID:5925