این هفته، سریع‌ترین دوندگان زمین در المپیک توکیو گرد هم آمدند تا برای کسب مدال طلا در دوی ۱۰۰ متر با هم رقابت کنند. لامونت مارسل جیکوبز در مدت ۹/۸۰ ثانیه از خط پایان گذشت تا ایتالیا به اولین مدال طلای خود در این مسابقات ورزشی دست پیدا کند.
در مسابقات زنان، جامائیکا مدال‌های طلا، نقره و برنز را از آن خود کرد. برنده مدال طلا الین تامپسون بود که با زمان ۱۰/۶۱ ثانیه رکورد ۳۳ ساله زنان المپیک را در دوی ۱۰۰ متر درهم شکست؛ اما هیچ‌یک از آن‌ها نتوانست به میراث یوسین بولت از جامائیکا دست پیدا کند که هشت مدال طلای المپیک را برد و در سال ۲۰۱۷ از بازی‌ها کناره‌گیری کرد.
یوسین همچنان عنوان سریع‌ترین انسان زنده جهان را در اختیار دارد. بولت ۱۰۰ متر را در مدت ۹/۵۸ ثانیه دوید. حداکثر سرعت یوسین در حدود ۲۷ مایل در ساعت (۴۳/۵ کیلومتر بر ساعت) بود که البته کمتر از حداکثر سرعت یک گربه خانگی است. بولت در مسابقه دربرابر یوزپلنگ و شاخ چنگالی که سریع‌ترین حیوانات روی زمین هستند، هیچ شانسی نخواهد داشت.
ممکن است فکر کنید که سرعت یک حیوان به اندازه عضلات آن بستگی دارد: هرچه عضلاتش قوی‌تر باشد، سرعتش بیشتر است. درحالی‌که این مورد تاحدودی درست است، فیل هرگز از آهو تندتر نمی‌دود. بنابراین، چه چیزی حداکثر سرعت را تعیین می‌کند؟
اخیرا گروهی از دانشمندان به سرپرستی مایکل گانتر، متخصص بیومکانیک که زمان مطالعه در دانشگاه اشتوتگارت مشغول پژوهش بود، تصمیم گرفتند قوانین طبیعت را که بر حداکثر سرعت دویدن جانوران حاکم است، تعیین کنند.
در مسابقه با یوزپلنگ‌ها و شاخ‌چنگالی یعنی سریع‌ترین حیوانات زمین، حتی دونده المپیک نیز شانس برنده شدن نخواهد داشت.
پژوهشگران در مطالعه جدیدی که هفته گذشته در مجله Journal of Theoretical Biology منتشر شد، مدل پیچیده‌ای را ارائه کردند که در آن اندازه، طول پاها، تراکم عضله و موارد دیگر درنظر گرفته شده بود تا مشخص کند که کدام عناصر طراحی بدن بیشترین اهمیت را ازنظر سرعت دارند.
پژوهش جدید بینش‌هایی را درمورد تکامل زیستی حیوانات دارای پا و راه رفتن خاص آن‌ها فراهم می‌کند. علاوه‌بر‌این، برای متخصصان رباتیک و مهندسان زیست‌پزشکی، کسب دانش درمورد ساختار بدنی بهینه طبیعت برای سرعت می‌تواند به طراحی بهتر ماشین‌هایی که روی دو پا حرکت می‌کنند و نیز اندام‌های مصنوعی کمک کند.
پژوهشی در گذشته تحت هدایت میریام هیرت از مرکز تنوع زیستی تلفیقی آلمان نشان داده بود که سرعت ارتباط مهمی با متابولیسم حیوان دارد؛ فرایندی که طی آن بدن مواد مغذی را به سوخت تبدیل می‌کند و مقدار محدودی از آن برای استفاده هنگام دویدن در فیبرهای عضلانی ذخیره می‌شود. گروه هیرت به این نتیجه رسید که سوخت حیوانات بزرگ‌تر درمقایسه‌با حیوانات کوچک‌تر سریع‌تر تمام می‌شود، زیرا سرعت گرفتن بدن سنگین‌تر آن‌ها به زمان بیشتری نیاز دارد. این حالت با عنوان خستگی عضله شناخته می‌شود. این امر توضیح می‌دهد که چرا ازنظر تئوری یک انسان می‌توانسته از یک تیرانوسوروس رکس (نوعی دایناسور) سریع‌تر بدود.
اما گاتنر و همکاران درباره نتایج گروه هیرت تردید داشتند. او می‌گوید: «فکر کردم که ممکن است بتوانیم توضیح دیگری ارائه دهیم». آن‌ها می‌خواستند محدودیت‌های سرعت را فقط با استفاده از اصول فیزیک کلاسیک توضیح دهند. بنابراین، مدل بیومکانیکی ایجاد کردند که شامل بیش از ۴۰ پارامتر مختلف مرتبط با طراحی بدن، هندسه دویدن و تعادل نیروهای مخالفی که روی بدن عمل می‌کنند، بود.
رابرت راکنفلر، ریاضیدانی در دانشگاه کوبلنز-لاندو آلمان که یکی از نویسندگان مطالعه است، می‌گوید دو مسئله حداکثر سرعت را محدود می‌کنند. مورد اول مقاومت هوا یا نیروی درگ است؛ نیروی مخالفی که وقتی پا تلاش می‌کند بدن را به سمت جلو براند، روی آن وارد می‌شود. ازآن‌جا که تأثیر مقاومت هوا با جرم افزایش پیدا نمی‌کند، این عامل، عامل غالب در محدود کردن سرعت جانوران کوچک‌تر است. راکنفلر می‌گوید: «اگر بی‌نهایت سنگین بودید، طبق نیروی مقاومت هوا می‌توانستید با سرعت نامحدودی بدوید».
دومین ویژگی اثرگذار که با افزایش جرم بیشتر می‌شود، اینرسی (لَختی) یعنی مقاومت جسم ساکن دربرابر سرعت گرفتن است. راکنفلر می‌گوید هنگام دویدن زمان محدودی برای یک حیوان وجود دارد تا به جرم خود سرعت بدهد: فاصله زمانی میان زمانی که پا به شکل صاف روی زمین قرار دارد تا زمانی که پا از زمین جدا می‌شود. این امر خصوصا برای حیوانات بزرگ‌تر محدودکننده است که جرم بیشتری دارند که باید آن را به جلو بکشند و غلبه بر اینرسی سخت‌تر است. بنابراین در این‌جا، بدن‌های کوچک‌تر برتری دارند.
طبق نتایج پژوهشگران، نقطه مطلوب برای غلبه بر مقاومت هوا و اینرسی در اندازه حدود ۱۱۰ پوند (۵۰ کیلوگرم) است. اتفاقی نیست که این مقدار، وزن متوسط یوزپلنگ و شاخ‌چنگالی است.
تیم گانتر همچنین توانست حداکثر سرعت تئوریکی طرح‌های مختلف بدن را در ۱۰۰ کیلوگرم پیش‌بینی کند. گربه خانگی با این اندازه می‌تواند تا ۴۶ مایل بر ساعت (۷۴ کیلومتر بر ساعت) بدود؛ عنکبوت غول‌پیکر، اگر پاهایش بتواند به طریقی وزن او را تحمل کند، حداکثر سرعت ۳۵ مایل بر ساعت را خواهد داشت. تعجبی ندارد که دراین‌جا طرح بدن یک انسان در آخرین مکان می‌آید: در ۱۰۰ کیلوگرم، می‌توانیم فقط حدود ۲۴ مایل بر ساعت (۳۹ کیلومتر بر ساعت) بدویم.
اندازه بدن تنها ویژگی نیست که در حداکثر سرعت دویدن نقش دارد. در مدل پژوهشگران، طول پا نیز اهمیت داشت. حیواناتی که پاهای بلندتری داشتند، قادر بودند تا پیش از زمانی که پای آن‌ها از زمین جدا می‌شود، بدن خود را بیشتر به سمت جلو ببرند و فاصله زمانی میان زمانی که پا به شکل صاف روی زمین قرار دارد تا زمانی که پا از زمین جدا می‌شود، در آن‌ها بیشتر بود. گانتر درباره این مسئله که چرا حیواناتی که روی چهار پا می‌دوند، درمقایسه‌با انسان‌ها سریع‌تر هستند، می‌گوید به آن علت نیست که ما فقط دو پا داریم، بله به این خاطر است که تنه ما به صورت عمود قرار می‌گیرد و به‌طور کامل نیروی جاذبه را احساس می‌کند.
موجودات دو پا طی تکامل ستون فقرات بسیار محکم‌تر و غیرقابل انعطاف‌پذیری به دست آورده‌اند که تعادل و ثبات را درمقایسه‌با سرعت در اولویت قرار می‌دهد. اگرچه حیواناتی که تنه آن‌ها به موازات زمین قرار می‌گیرد، با ستون‌های فقرات انعطاف‌پذیرتری تکامل پیدا کرده‌اند که برای تماس طولانی‌مدت پا با زمین بهینه شده است.
اما خستگی عضله چطور؟ گانتر می‌گوید: «این عامل هیچ نقشی ندارد.» پژوهشگران در بخشی از تجزیه‌و‌تحلیل خود به این نتیجه رسیدند که هر حیوانی پیش از تمام شدن سوخت خود می‌تواند حداقل تا ۹۰ درصد حداکثر سرعت خود بدود. کارل کلوید، بوم‌شناسی در آزمایشگاه دریایی دافین آیلند در آلاباما که حرکت حیوانات را مطالعه می‌کند، فکر می‌کند که از دیدگاه تکاملی توضیح بیومکانیکی درباره تمام‌شدن سوخت ماهیچه‌ها منطقی‌تر است؛ اما می‌گوید برای حمایت از مدل جدید به پژوهش‌های تجربی بیشتری نیاز است.
گانتر و راکنفلر موافق‌اند که برای تأیید نتیجه‌گیری آن‌ها به آزمایش‌هایی نیاز است و فکر می‌کنند مدل جامعی ارائه کرده‌اند که پژوهشگران دیگر می‌توانند آن را در آینده آزمایش کنند؛ اما همه دانشمندان خاطرنشان می‌کنند که انجام این کار دشوار خواهد بود. کلوید می‌گوید این کار به گرفتن حیوانات و مشاهده آن‌ها در آزمایشگاه یا استفاده از ویدئوهای با کیفیت بالا از آن‌ها در زمان دویدن نیاز دارد تا بتوان بیومکانیک حرکات آن‌ها را تجزیه‌و‌تحلیل کرد.
گانتر می‌گوید دقیق‌ترین راه برای مطالعه رفتار دویدن در حیوانات کاشت حسگرهای مکانیکی درون عضلات آن‌ها و دنبال کردن آن‌ها هنگام حرکت در محیط طبیعی آن‌ها است، اما این کار با چالش‌های تدارکاتی و نگرانی‌های اخلاقی همراه است. کلوید همچنین منتظر است تا ببیند که آیا این نتایج درمورد روش‌های حرکتی دیگری مانند شنا و پرواز نیز صادق است. او می‌گوید اگر این توضیح درست باشد، باید درمورد محیط‌های دیگر نیز صدق کند.
آیا کسی هرگز خواهد توانست رکورد یوسین بولت را بشکند؟ این احتمال وجود دارد، اما خیلی سریع‌تر از آن نمی‌توانیم بدویم. بیومکانیک دویدن نشان می‌دهد که درحال نزدیک شدن به حد نهایی سرعت ممکن برای بدن انسان هستیم. وقتی فرد جدیدی سریع‌ترین فرد روی زمین شود، باید قبول کنیم که این عنوان را فقط درمیان انسان‌ها داریم و در سلسله جانوران از نظر سرعت، گونه خاصی نیستم.
با توجه به پرسش کاربران زومیت و خصوصا این موضوع که اشاره شده بود وزن بهینه برای حداکثر سرعت حدود ۵۰ کیلوگرم است، ازطریق ایمیل از نویسندگان مقاله درخواست کردیم که درمورد پژوهش خود توضیحات بیشتری در اختیار ما قرار دهند.
رابرت راکنفلر یکی از نویسندگان مقاله از دانشگاه کوبلنز-لاندو آلمان توضیح داد:
توجه داشته باشید که پیش‌بینی‌های مدل ما براساس «حیوانی متوسط» به دست آمده است و نه برای گونه‌ای با شرایط خاص (یعنی برای به دست آوردن برآوردها ویژگی‌های متوسطی به مدل داده شده است نه اینکه ویژگی‌های منحصربه‌فرد یک گونه). اگر مدل خود را به هندسه‌های حیوانی خاص محدود کنیم، مثلا انسان‌ها، ممکن است به حداکثر سرعت متفاوتی مثلا در وزن حدود ۷۰-۸۰ کیلوگرم برسیم. معمولا حیوانات دو پا نسبت‌به حیوانات چهار پا بسیار کندتر هستند، چراکه ستون فقرات آن‌ها به شکل حیوانات چهارپا انعطاف‌پذیر نیست و حین دویدن به آن‌ها کمک نمی‌کند. ما دریافتیم که یک انسان ۱۰۰ کیلوگرمی باید بتواند کمابیش در حد ۱۱ متر بر ثانیه بدود که نزدیک همان سرعتی است که یوسین بولت می‌توانست بدود.
تام ویمن، نویسنده دیگر مقاله از گروه فیزیولوژی جانوری دانشگاه کلن آلمان توضیح داد:
رابطه‌ی میان حداکثر سرعت دویدن با وزن، طراحی بدن و الگوی هماهنگی پاها کاملا پیچیده است. اما همان‌طور که در مقاله توضیح داده شده است، حداکثر سرعت دویدن فقط به وزن بدن بستگی ندارد و به طرح بدن و شکل کلی نیز بستگی دارد. بنابراین، دوپایان غالبا نسبت‌به چهارپایانی که می‌توانند چهارنعل بدوند، کندتر هستند.
درحالی‌که چهارپایان چهارنعل‌کننده طول پای عملکردی خود را با بهره‌گیری از خمیدگی اضافی و کشش ستون فقرات گسترش می‌دهند، دوپایان به‌علت محدودیت‌های آناتومیکی قادر به انجام این کار نیستند. گسترش ستون فقرات در چهارپایان چهارنعل‌کننده به کارگیری سیستم عضلانی بیشتر و گسترش مرحله‌ی stance را امکان‌پذیر می‌کند (یعنی مراحلی در چرخه راه رفتن که در آن نیروها به زمین منتقل می‌شود و حیوان می‌تواند به بدن خود شتاب دهد).
حرکت دوپایی با مزیت‌های دیگری ازجمله بازده انرژی بیشتر و ثبات دویدن همراه است. انسان‌ها برای حرکت روی دو پا سازگار شده‌اند، بنابراین نسبت‌به چهارپایان کندتر هستند. اما با آناتومی عمومی ما، حتی اگر نتوانیم آن را ازنظر عملکردی تا نزدیک مفصل ران گسترش دهیم، داشتن پاهای بلند مزیت دارد. اگرچه پاهای بلند به وزن بدن نسبتا بیشتری نیاز دارد که موجب می‌شود ورزشکاران سنگین نسبت‌به ورزشکاران سبک‌تر دوندگان بهتری باشند. دوپا بودن و خصوصا روش حرکت انسان تحت‌تأثیر بده‌بستان‌های تکاملی قرار دارد که از موارد مرتبط با چهارپایان چهارنعل‌کننده متفاوت است.
مایکل گانتر از دانشگاه اشتوتگارت افزود:
اگر بخش ۵.۱ مقاله را مطالعه کنید، متوجه می‌شوید که ۵۰ کیلوگرم وزن شرط کافی نیست و باید ویژگی‌های نیز وجود داشته باشد و موارد ضروری در این بخش با استفاده از مثال «گربه بزرگ» توضیح داده شده و به میزان اهمیت هریک اشاره شده است.
درواقع، حیوان باید نسبت‌به انسان باریک‌تر باشد (کاهش مقاومت هوا) و پاهای بلندتری داشته باشد (پاهای بلندتر از انسان). پاهای عملکردی در یوزپلنگ با حرکات ستون فقران بسیار طویل‌تر می‌شود که انسان به خاطر طرح عمودی توانایی انجام آن را ندارد. اما یوزپلنگ همچنین می‌تواند زاویه‌ی حمله (بردار نیروی عکس‌العمل زمین) را مسطح کند که احتمالا به عضلات قوی کمر نیاز دارد.
ازآن‌جا که یوزپلنگ به‌طورکلی دارای ستون فقراتی است که هنگام دویدن کم و بیش به موازات زمین قرار می‌گیرد (برخلاف انسان)، این حیوانات می‌توانند ستون فقرات انعطاف‌پذیرتر (و قوی‌تری) را حین حرکات خود به کار گیرند. درواقع، آن‌ها با استفاده از درجه آزادی ستون فقرات (یعنی مهره‌ها می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی نسبت‌به یکدیگر بچرخند که با افزایش فاصله کلی میان لبه‌های انتهایی دو مهره امکان تولید کار مکانیکی (افزایش طول) را فراهم می‌کند) پای عملکردی طولانی می‌سازند.
همچنین احتمالا توده عضلانی یوزپلنگ در قسمت پاهایش خصوصا عضلاتی که در انتهای پا قرار دارند (دیستال)، کمتر از انسان است. این درحالی است که انسان عضلات کاملا سنگینی در قسمت پشت پا دارد. این امر نیروهای اینرسی روی عضلات ساق پا را در یوزپلنگ درمقایسه‌با انسان کم می‌کند که به‌نوبه‌ی‌خود به عضله پا اجازه می‌دهد تا نسبت‌به عضلات سنگین‌تر انسان درنتیجه‌ی سرعت انقباض بالاتر، سریع‌تر بدود.
احتمالا تاندون‌های یوزپلنگ (اگرچه من متخصص آناتومی یوزپلنگ نیستم و مقالاتی در این موضوع وجود دارد) نسبت‌به انسان بلندتر است که سرعت انقباض مجموعه‌های عضله‌تاندون را تقویت می‌کند. این بدان علت است که ساختار انعطاف‌پذیری نظیر تاندون طویل نسبت‌به فیبرهای عضلانی به‌تنهایی، سریع‌تر منقبض می‌شود. علاوه‌بر‌این، آرایش خمیده مفاصل پا در یوزپلنگ به افزایش طول پا و بنابراین، افزایش سرعت کمک می‌کند. البته حالت خمیده دارای معایبی ازنظر باری که به پا وارد می‌شود، است، اما ازنظر سرعت بلند کردن پا مزیت دارد.
نظرات