Groot zijn is een klein voordeel in termen van snelheid, maar op veel andere manieren een aanzienlijk mechanisch nadeel. Grote dieren rennen niet sneller dan kleinere dieren. De snelheid van een dier is gelijk aan de lengte van zijn pas maal het aantal passen dat het in een minuut doet. Grote dieren hebben lange poten en een verhoudingsgewijs langere pas, maar ze hebben een grotere uitdaging om hun grotere poten even snel heen en weer te laten bewegen.
Hun toegenomen omslachtigheid elimineert bijna perfect het voordeel van langere benen, zoals de grootte van een dier toeneemt. De kracht die een spier op een ledemaat kan uitoefenen om deze te laten versnellen, is evenredig met de dwarsdoorsnede van de spiervezels - een dik touw kan harder trekken dan een dun touw. Grote dieren kunnen dus meer kracht op hun poten uitoefenen dan kleine. Maar dat voordeel wordt ruimschoots gecompenseerd door een nadeel dat bij toenemende omvang veel sneller groeit: ledematen worden zwaarder. Het dwarsdoorsnede-oppervlak neemt alleen toe met de lengte in het kwadraat, terwijl de massa van een dier en zijn afzonderlijke bewegende delen toeneemt met het volume of de lengte in blokjes. Dus als een dier groter wordt, neemt het gewicht van zijn poten sneller toe dan de beschikbare spierkracht om die poten snel te laten bewegen. Het zou hetzelfde zijn als proberen een auto sneller te laten rijden door er een grotere motor in te zetten, om vervolgens te ontdekken dat het extra gewicht van die grotere motor en het versterkte frame dat nodig was om hem te ondersteunen, de auto langzamer maakte.
Dus, terwijl de paslengte evenredig toeneemt met de lengte van het been van een dier, neemt de pasfrequentie in vrijwel dezelfde verhouding af, zodat de snelheid vrijwel hetzelfde blijft, ongeacht de grootte.
Deze berekening geldt alleen voor geometrisch vergelijkbare dieren, dat wil zeggen, wiens ledematen en spieren allemaal in dezelfde verhoudingen zijn gebouwd. Maar paarden hebben een aantal manieren ontwikkeld om het koekjessnijderplan te omzeilen en zo de kansen te verslaan.
Hun poten zijn onevenredig lang voor een dier van hun grootte, en hun spieren zijn op unieke manieren gerangschikt om de pasfrequentie te verhogen. Door deze aanpassingen kunnen paarden hogere snelheden halen dan enig ander landdier van gelijke grootte.
Maar het meest opmerkelijke aan de mechanica van het paard is niet zozeer hoe het de snelheden bereikt die het doet, maar veeleer hoe het omgaat met de bijbehorende problemen van snel en groot zijn.
Het is op het gebied van uithoudingsvermogen dat het paard echt uitblinkt. Ondanks zijn aanzienlijke gewicht kan een paard snelheid behouden over grote afstanden. Paarden hebben in iets meer dan vier uur 80 kilometer geklokt. Dergelijke prestaties vereisen buitengewone efficiëntie in mechanisch ontwerp.
Tegelijkertijd zorgt het feit dat ze groot, zwaar en snel zijn, voor enorme structurele belastingen op de ledematen. Ze moeten licht van gewicht zijn om hoge acceleraties te bereiken en toch sterk genoeg om de impact van het galopperen over oneffen terrein te weerstaan.
Iets ontwerpen dat tegelijk licht en sterk is, is een klassiek werktuigbouwkundig probleem. Ingenieurs begonnen zich niet zo lang geleden te realiseren dat ingenieurs dezelfde methoden die ontwikkeld zijn om te analyseren hoe materialen onder belasting in gebouwen of vliegtuigen kunnen worden toegepast, kunnen toepassen op dieren en planten om te begrijpen waarom ze de vormen aannemen die ze aannemen.
Bij gelegenheid hebben deze "biomechanische" studies zelfs gewezen op technische oplossingen voor moeilijke aerodynamische of robotische ontwerpproblemen - oplossingen die de natuur al had ontdekt tijdens het lange vallen en opstaan van de evolutie. Het verhaal van hoe de benen van het paard evolueerden om een complexe balans te vinden tussen snelheid, efficiëntie en kracht is eveneens een technisch verhaal.
Laat een reactie achter