Biomekanikk

Biomekanikk (gr. bios – liv; mēchanikē – mekanikk) er studiet av struktur og funksjon i biologiske systemer som deltar i bevegelse og overføring av mekaniske krefter.  Biomekanisk nivå kan omfatte hele organismen eller deler av den, som celler, cellebestanddeler, celleorganeller eller organer. Biomekanikk tar for seg mekaniske egenskaper ved biomaterialer, mekanobiologi, ergonomi, vektstangprinsipp og overføring av krefter, energibruk, akselerasjon, friksjon, drag, treghet (inertia), tensjon, streknings- og bøyningsstyrke, viskositet (dyanamisk og kinematisk), gravitasjon, samt mekaniske egenskaper ved væske, gass og fast stoff tilknyttet bevegelse. Tensjon fra latin betyr strekk. Sener og leddbånd gir fleksible koblinger mellom bein og muskelpakker.

Elastitetsmodul  (Youngs modulus), materialstivhet, grad av bøyning eller strekning, samt stress-strainkuver for materialer under tensjon eller kompresjon, dragkoeffisient.  

Youngs modulus= stress/strain

Stress er kraft per tverrsnittsareal. Strain er forholdet mellom lengdeendring og opprinnelig lengde.

Skjærstress τ (tau) er krefter (F) per enhetsareal A til materialet parallelt til kraftvektoren, τ= F/A

Skjærkreftene for eksempel fra vind skyver bare på en del av gjenstanden i en retning og i en annen del i motsatt retning som resulterer i sammenpressing (kompresjon)

Biomekanikk omfatter bevegelsesmekanikk, biovæskemekanikk og biohydraulikk, elastisitet,  biotribomekanikk og biomekanisk pneumatikk. Biomekaniske betraktninger har også betydning innen idrett og energioptimalisering.

Bevegelsesmekanikk

Bevegelsemekanikk omfatter studiet av bevegelse hos dyr ved gange, løping, hopping og flyving og svømming. Mekaniske og fysiske effekter ved flyving hos insekter, fugl og pattedyr (flaggermus) (Bernoullieffekt, Magnusveffekt, Reynoldstall), Tilsvarende for bevegelse av hoppekreps, beinfisk, bruskfisk, hval, definer og andre pattedyr i sjøvann. bein som vektstenger og overføring av krefter fra sammentrekning av muskler koblet med sener til bein i bein, armer og fingre. Mekanisk overføring av vibrasjoner i trommehinnen via ørebein i det indre øre. Forflytning av basilarmembranen i det indre øre. Mekaniske aspekter ved bruk av kjerver og tenner ved tygging og spising. Peristaltikk ved forflytning av tarminnhold. Fangstegenskaper og strekning i et edderkoppnett.

Edderkoppnett

Proteinet fibroin er et silkekeprotein med stor strekningsstyrke  i edderkoppsinn laget fra spinnkjertler i bakkroppen på  edderkopper, Her spinn fra mattevevere som observeres i stort antall på engmark hvor tåkedråper er fanget i nettet. 

Forflytninger innen en celle via cytoskjelett eller motorproteiner. Ribosomer som en biolgisk maskin Glidefilamentmodellen for muskelbevegelse.

Kroppsvekt grunnet gravitasjonskrefter og effekt i bevegelse. Kroppsvekt og låsing av tærne hos fugl og brukt åv rovfugl til å holde på et fanget bytte. 

Mekanikk tilkoblet seksualaktivitet hos mennesker.

Laminær og turbulent luftstrøm i pneumatikk eller tilsvarende væskestrøm (hydraulikk).

Hos planter bevegelsesmekanikk hos blad med bladstilk, stammer, greiner og stenel 7 strå ved vindbelastning. Sirkelnutasjon i spissen av planteorganer og spiralvekst. Strekkved og trykkved. Frøspredning.

Biovæskemekanikk

Biovæskemekanikk omfatter mekaniske og hydrauliske effekter av pumping og transport av blod og blodceller gjennom blodårer og blodkapillarer. Laminær eller turbulent væskestrøm. En bardehval som presser ut store mengder vann gjennom bardene. Navier-Stokes ligning for transport i rørsystemer. Biofluider, silvevsvæske, vedvevsvæske hos planter. Lymfe og blod hos dyr. Diameter på blodkapiallarer sammenlignet med diameter til blodceller Fåhræus-Lindquist-effekt i blodkar med ddiameter < 0.3 mm, hvor viskositeten til en væske som blod endrer seg med diameter til blodåren. Navn etter svense  hematologen Robert Sanno Fåhræaus og Johan Torsten Lindqvist. Hagen-Poiseuille ligning for newtonske væsker. Cytoplasmastrømning i celler drevet av cytoskjelettet.

Biomekanikk og svømming

Den vanligste måten å svømme på hos fisk er undulering (l. undula – liten bølge) drevet av blokker med muskler på hver side av fisken som inneholder anaerobe hvite fibre med glykolyse og røde aerobe fibre. Sekvensiell sammentrekning av myomerene alternerende på hver side av fisken gir en propulsiv bølge med bøying som beveger seg bakover i fisken og med økende amplitude Hver del av kroppen som deltar i propagering av bølgen akselerer noe vann bakover og til siden som lager en reaksjonskraft som virker forover også en sidekomponent som gir tap av energi. Andre fremdriftsformer er ålebevegelser eller raske oscillasjoner med halefinnen.

Hos ikke-tuniforme svømmere skjer det muskelsammentrekning langs kroppen koblet virvlene og gir bøyning av disse.

Tuniforme stivkroppsvømmere

Noen eksoterme fisk har røde muskler. Disse er predaterende fisk  e.g. tunfisk og håbrann, rasktsvømmende over store avstander med alle sideveisbevegelse  skjer i halen. Tuniforme svømmere med stiv tykk kropp med de røde muskelfibrene dypere ned i kroppen. Disse har en avsmalende bakkropp med en stiv halvmåndeformet og hydrofoillignende halefinne som lager skyvekraft og gir et hydrodynamisk løft i fartsretningen.

Biotribomekanikk

Biotribomekanikk (gr. tribein – gni) omhandler friksjon og smøring av leddflater med synovialvæske og kontaktmekanikk mellom ledd.

Bkomekaniske materialer

Biomekaniske materialer med hardt eller bløtt cellevev. Mekanisk deformering, tensjon,  bruddstyrke og elastisitet i  bein, skjell, hud, brusk, muskler, sener, stress-strain. Ved og styrkevev i planter. 

Biomekanisk pneumatikk

Pneumatikk og mekaniske effekter av flytting av mellomgulvet ved pusting. Venturieffekt og venturirør som forklaring på luftsirkulasjon.

Biomekanikk og historie

Ialienske  Giovanni Alfonso Borelli(1680-1681) anses for å være grunnleggeren av fagområdet biomekanikk for forsøkte å lage mekaniske lover for fysiologiske fenomener. Borelli gjorde fundamentale oppdagelser respirasjon, sirkulasjons og muskelsystem gjengitt Borellis bok De motu Animalium (Om bevegelsen i dyr) utgitt posthumt, kreditert Aristoteles som utga en bok med samme navn. Borelli laget bl.a. en mekanisk modell av hengsleleddet i albuen tilkoblet overarmen og underarmen.

René Descartes og mekanisk filosofi, Mennesket og dyr virker som en maskin ifølge den franske filosofen Julien Offray de la Mettrie (1709-1751) med boka L’homme Machine (1747). Ifølge laMettrie er dyr selvstyrte atuomater (automatoner, gr. automaton). Mekanisk gjøkur.  

Tilbake til hovedside

Publisert 1. juli 2022 17:12 - Sist endret 20. mars 2024 17:17