M2 Elastische Fortbewegung

Thema

Beim Laufen und Joggen federt der Körper von den Standbeinen ab, als wäre er eine an einer Feder aufgehängte Masse: Die potenzielle und kinetische Energie des Körperschwerpunkts ist in der Mitte der Standphase minimal, wenn die Feder am stärksten komprimiert ist, und am Anfang und Ende der Standphase maximal – genau umgekehrt wie beim Gehen.

Dieses federartige Verhalten wird maßgeblich durch die elastischen Sehnen des Beins – wie die Achillessehne oder die Patellarsehne – ermöglicht. Sie speichern Energie während der ersten Hälfte des Bodenkontakts und geben sie in der zweiten Hälfte wieder ab. Dadurch wird die aktive Muskelarbeit bei jedem Schritt reduziert. Bei Säugetieren, die auf diese Fortbewegungsart spezialisiert sind, kann die Effizienz der Energiefreisetzung durch diese Sehnen zwischen 85 und 95 Prozent liegen.

Die Steifigkeit des Standbeins – also wie stark die effektive Feder unter einer bestimmten Belastung komprimiert wird – ist die zentrale Variable, die dieses gesamte elastische Verhalten steuert. Kombiniert man diese Steifigkeit mit der Gliedmaßenlänge, der Körpermasse und der Schwerkraft zu einer einzigen dimensionslosen Zahl, erhält man einen Wert, der für Tiere sehr unterschiedlicher Größe praktisch identisch ist, vorausgesetzt, sie werden mit derselben dimensionslosen Geschwindigkeit relativ zu ihrer eigenen Größe verglichen.

Mit zunehmender dimensionsloser Geschwindigkeit geht der Trab in den Galopp über. Der Galopp beinhaltet Flugphasen, in denen keine Gliedmaße den Boden berührt, und ein anderes Stützmuster der vier Beine. Der Übergang vom Trab zum Galopp findet bei den meisten vierbeinigen Säugetieren statt, wobei diese dimensionslose Zahl im Bereich von etwa zwei bis drei liegt.

Die durch elastische Sehnen erzielte Einsparung an aktiver Muskelarbeit, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, spiegelt sich letztendlich in den Energiekosten beim Laufen wider: Der Energieaufwand, um jede Einheit Körpermasse über jede Einheit Strecke zu bewegen, ist nicht für alle Körpergrößen gleich, sondern nimmt mit zunehmender Körpermasse ab, und zwar mit einer negativen Potenz der Körpermasse von etwa einem Drittel. Daher sind große Tiere, bezogen auf ihr Körpergewicht, ökonomischere Läufer als kleine Tiere.

Einige Säugetiere, wie Gepard oder Känguru, nutzen diese elastischen Sehnen besonders effektiv: Ihre Sehnen speichern und geben Energie mit minimalen Verlusten bei jedem Schritt wieder ab. Sie fungieren beinahe wie rein passive Federn, die einen erheblichen Teil der mechanischen Arbeit beim Laufen übernehmen und so die aktive Muskelarbeit, die das Tier bei jedem Schritt leisten muss, weiter reduzieren.

Das eingangs erwähnte Feder-Masse-System aus Gliedmaßen und Körper besitzt zudem eine Resonanzfrequenz, bei der das Laufen besonders effizient ist: Diese optimale Frequenz entspricht der natürlichen Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems selbst. Das Laufen nahe dieser Resonanzfrequenz minimiert den aktiven Energieaufwand, den das Tier während des Laufens leisten muss.

ID:2610