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력 및 기계적 에너지

는 힘의 동물의 발을 발휘하는 지상에서의 균형을 맞춰야 합당 중량이지만,이러한 세력이 일정하지 않에서 운동. 지상에 가해지는 힘의 수직 구성 요소는 항상 체중과 동일한 평균값에 대해 변동합니다. 그림 4 는 몇 가지 가능성을 보여줍니다. 이러한 각 도식 그래프는 시간에 대해 플롯 된 수직력을 보여줍니다. 지속적인 표시는 힘에 의해 왼쪽과 오른쪽 발을 부러진 줄여 총 수직력을 때 두 발은 땅에서 동시에. 사례(i)와(ii)에서 발에 의해 가해지는 힘은 인간의 보행에서와 같이 각 단계에서 두 개의 최대 값을 보여줍니다. 그러나(iii)및(iv)의 경우 각 발마다 단일 최대 값이 있습니다.

시간 t=–τ/2 에서 t=+τ/2 까지지면에있는 발을 고려하십시오. 패턴의 수직의 힘 Fvert 는 그것을 발휘하이 간격을 표현할 수 있는 완전한 일반성에 의해 Fourier series

가 및 bn 은 상수(알렉산더&Jayes,1980). 기 짝수 코사인 측면 또는 홀수인 측면에서 시리즈,기 때문에 강제로서 순간 때 발 아래로 설정과 해제에서,시간–τ/2+τ/2. 는 경우에 우리가 될 것입니다,고려의 힘으로 발에서 단계는 일반적으로 상당히 거의 대칭 시간에,그래서 우리는 무시할 수 있습니다인 점을 설명하는 비대칭. 우리는 것 염려하지 않을지(일반적으로 작은)고주파 구성 요소의 힘,그래서 우리는 무시할 수 있습 높은 번호의 점에서 시리즈입니다. 이러한 이유로 우리는 Eq 를 대체 할 수 있습니다. (1)잘린 시리즈

(Alexander&Jayes,1978). 계수 q(=-a3/a1)는 시간에 대한 힘의 그래프의 모양을 설명하기 때문에 형상 계수로 알려져 있습니다. 발은 음의 수직력을 발휘할 수 없기 때문에 -0.33~+1.00 범위에 있어야합니다. 도 1 에서와 같이 형상 계수가 0 일 때. 4(iii,iv),시간에 대한 힘의 그래프는 코사인 곡선의 반주기입니다. 형상 계수가 증가함에 따라 힘 곡선은 평평 해지고 결국 0.15 이상의 값에 대해 두 개의 뾰족 해집니다. 도에서. 4(i,ii)값 0.4 가 주어졌습니다. 음의 모양 요소는 종 모양의 힘 곡선을 설명합니다.

에서는 인간의 산책,모양 요인은 일반적으로 증가에서에 대해 0.2 에 매우 느린 걸어에 대해 0.7 에서 걷는 가장 빠른 속도와에서 실행하는 일반적으로 거짓말 0-0.2(알렉산더,1989). 침팬지와 다른 비인간 영장류에 의한 양발 보행에 대한 몇 가지 힘 기록 만이 출판되었다(Kimura,1985;Li et al. 1996). 그 중 어느 것도 0.3 보다 큰 형상 인자를 나타내지 않습니다. 인간과 비교하여 두발로 걷는 침팬지의 낮은 모양 요인은 걷는 자세의 직접적인 결과 일 수 있습니다. 남성과 여성은 그 모양인 것을 의미의 값 0.50 및 0.40 각각할 때,그들이 걸어에서 일반적으로 편안한 속도,그 모양의 요인 0.24 및 0.26 을 때 걸었으로 구부러진 무릎과 엉덩이를 모방,침팬지(리 et al. 1996).

인간과 마찬가지로 닭은 걸을 때 땅에 두 개의 뾰족 수직 힘을,달릴 때 단일 뾰족 힘을 발휘합니다. 뮤어 외. (1996)는 형상 계수가 0 의 무 차원 속도로 1-2 일 된 병아리와 14 일 된 병아리에 대해 각각 약 0.2 와 0.3 이라고 추정하는 복합 힘 기록을 발표했다.38,0.9 의 무 차원 속도로 0(두 연령대 모두). 카바냐 등의 포스 레코드. (1977)의 칠면조와 rhea 달리기는 0 에 가까운 모양 요인을 보여줍니다. 전&Tu s(1991)포스코 바퀴벌레의 실행 bipedally 여 약간의 종 모양의 곡선을 암시하는 작은 부정적인 형태 요소로서 인간의 실행됩니다.

의 변동 총력에서 접지(합의 힘에 의해 왼쪽과 오른쪽 발의)의 의무 요인과 형태 요소입니다. 그림 4 는 가능성을 보여줍니다. 도에서. 도 4(i)에서,듀티 팩터 및 형상 팩터 모두 비교적 높은 값을 갖는다. 총 힘은 두 발이 땅에있을 때 각 보폭에서 두 번 최대 값을 갖습니다. 도에서. 4(iv),두 요인 모두 더 낮고 몸의 질량 중심이지지 발 위로 지나갈 때 땅에 단 한 발만있을 때 총 힘이 최대 값을 갖습니다. 다시 각 보폭에 두 개의 최대 값이 있지만,경우에 따라 최대 값의 위치에서 사이클의 1/4 로 이동합니다(i). 그림 4(ii,iii)는 각 보폭에서 4 개의 힘 최대 값을 초래하는 듀티 팩터와 형상 팩터의 조합을 보여줍니다. 최대 값은이 두 가지 경우에 보폭의 다른 단계에서 발생합니다.

진동 운동에서 힘은 변위로 위상을 벗어난 반주기입니다. 이것은 스프링이 장착 된 질량의 진동과 마찬가지로 걷기와 달리기의 수직 운동에서도 마찬가지입니다. 동물의 센터를 대량으로 가장 낮은 경우의 힘을 발휘하는 발이 땅에 가장 높은,그리고 높은 경우 지상 힘을 가기 위한 것입니다. 그림 5(a)는 방법을 보여줍의 높이의 중량이 변동 과정에서의 보폭에서 네 가지 경우 표시되고 그림. 4. 경우(i)수직력은 질량 중심이지지 발 위로 지나갈 때 최대 값을 갖습니다. 경우(iv)두 발이 땅에있을 때 이중지지 단계에서 최대 값을 갖습니다. 경우(ii)와(iii)에는 다이어그램에 표시된 반 보폭 동안 두 개의 최대 값이 있습니다.

그림 5(b)는 수직축의 형상 계수와 수평축의 듀티 계수를 보여줍니다. 선은 그림 4 에 표시된 네 가지 가능성에 해당하는 그래프의 영역을 분리합니다. 4. 가능성(ii)는 그래프의 두 개의 개별 영역에서 발생합니다. 가능성(i)은 의무 요인이 0.5 보다 큰 보행 보행으로 제한됩니다. 그러나 가능성(iv)은 형상 인자가 듀티 인자의 범위 전체에서 충분히 낮 으면 발생합니다. 알렉산더&Jayes(1978 년)설명 각계 각층의 유형(iv)으로 준수,산책을하기 때문에 다리를 구부리는 동안 더 많이 발은 땅에서 보다형(i)(뻣뻣한)안내합니다.

인간은 뻣뻣한 걷기를 연습합니다. 5(b),영역의 왼쪽 가장자리에 가깝습니다. 인간 달리기를위한 지점은 구역(iv)에 놓여 있으며,걷기위한 지점과 매우 잘 분리되어 있습니다. 데이터한 메추도에서 걷는 영역을(나)에서 실행 영역(iv)지만,산책하고 실행하는 포인트는 훨씬 적은 급격하게 분리(알렉산더&Jayes,1978). 닭은 또한 구역(i)에서 걷고 구역(iv)에서 달린다(Muir et al. 1996).

지금까지 우리는지면에있는 힘의 수직 구성 요소 만 고려했습니다. 경도 구성 요소의 힘 또한,행동 등의 방법으로 유지하는 결과에 힘은 인간의 발이 더 많거나 적은 라인에서의 센터를 대량의 몸입니다. 는 동안 발은 신체의 앞에,그것은 앞으로 밀어뿐만 아니라,아래로 감속 몸뿐만 아니라 지원습니다. 나중에 단계에서 그것은 몸 뒤에 있고 뒤로 밀고 아래로 밀어 몸을 다시 가속시킵니다. 따라서 질량 중심의 전진 속도는지지 발 위로 지나갈 때 최소한을 통과합니다. 이것은 걷기와 달리기 모두에 해당됩니다(Margaria,1976). 그것은 인간만큼이나 다른 두발의 사실입니다(예를 들어 침팬지에 대한 kimura,1985 참조;Cavagna et al. 1977,칠면조와 rheas 에;및 Muir et al. 1996,병아리에).

는지 여부를 두발은 도보 또는 실행하는,그것의 몸은 항상 이동하는 가장 천천히고,최소한 운동 에너지,중심으로 대량의 통과 지원니다. 유형(iv)보행의 보폭의이 단계에서 그 높이는 또한 최소이며,최소한의 중력 포텐셜 에너지를줍니다(그림 1). 5). 그것의 고도와 잠재적 인 에너지는이 단계에서 최대 값을 가지지 만,유형(i)보행에서. 따라서 운동 및 포텐셜 에너지는 유형(iv)보행에서 서로 위상에서 변동하고 유형(i)보행에서는 위상에서 변동합니다. 카바 냐 외. (1977)은 인간,rheas 및 칠면조에서 달리기와 걷기에서 단계적으로 변동한다는 것을 보여주었습니다. 그들은 강조하는 에너지 절약 가능성의 위상이 변동에서 산책,에너지가 저장을 교환하여 에너지 사이에 앞뒤로 운동과 잠재적인 형태에서의 원리합니다. 일단 모션에서 설정,완벽 한 진공에 마찰 진 자 에너지의 어떤 신선한 입력 없이 영원히 스윙 계속 것 이다.

Cavagna et al.에 의해 계산 된 운동 에너지 (1977)그들의 힘 기록에서 질량 중심의 속도와 관련된 에너지 인 외부 운동 에너지이다. 내부 운동 에너지(으로 인해 운동 신체 부분의 상대적 중심의 질량)에서 얻을 수 없습니다 강판 기록이다. Cavagna 와 동료들은 운동 및 잠재적 에너지 변화를 사용하여 운동에 필요한 작업을 계산했습니다. 에서 어떤 시간 간격에서는(운동 플러스는 잠재적 에너지)를 증가,동물의 근육을 수행해야(긍정적)작품을 공급하는 여분의 에너지입니다. 에서는 간격이 그것을 줄이고,근육을 해야 하는 부정적인 작동을 말해,그들은 해야 합니다 기능처럼 브레이크,기계적 굴욕적인 에너지 가열합니다. 는 경우 동물은 도보 또는 실행하는 꾸준히 수준 땅의 잠재력과 운동 에너지는 같은 끝에 각자의 보폭으로 시작 부분에서,그래서 수치적으로 동등한 양의 긍정 및 부정적인 작업을 수행해야합니다 동안 졌습니다.

짧은 시간 증가 동안 동물의 외부 운동 에너지와 포텐셜 에너지가 각각 δEKext 와 δEP 만큼 증가하게하십시오. 는 동안 완전한 보폭,외부 운동에너지를 보여줍 증가 총 1/2Σ|δEKext|감소한 총 1/2Σ|δEKext|. 이 식의 수직선은 δEKext 의 절대 값이 의미됨을 나타냅니다(즉,양수 값과 음수 값은 모두 양수로 처리됩니다). 합산 부호 Σ 는 값이 완전한 보폭에 걸쳐 합산되어야 함을 나타냅니다. 포텐셜 에너지는 유사하게 1/2Σ|δEP|에 달하는 양만큼 증가하고 감소합니다. 완전한 보폭에서 요구되는 양수 및 음수 작업은 각각 1/2Σ|δEkext+δbEP|로 추정 할 수 있습니다. 카바 냐 외. (1977)의 효율성 평가 진처럼 에너지 절감 비율을 계산하여 복구:

경우 외장 운동과 잠재적 에너지 변동 단계에서 서로 다른,모두 증가 또는 둘 모두를 감소에서 어떤 시간 간격으로,백분율이 복입니다. 는 경우,대조적으로,때마다 하나의 이러한 에너지 증가시키는 다른 감소하여 동일한 금액(으로서 완전한 진자)비율 복은 100 이다.

카바냐 외. (1976)은 적당한 속도로 걷는 인간의 보행에서 약 60%의 백분율 회복을 발견했으며,더 빠르고 느린 보행에서는 적고 달리기에서는 5%미만을 발견했다. 카바 냐 외. (1977)은 유사하게 정상적인 보행 속도에서 칠면조와 rheas 의 경우 약 70%,매우 빠른 보행의 경우 20%이하,달리기의 경우 0-5%의 값을 얻었다. 뮤어 외. (1996)는 빠른 달리기에서 0 으로 떨어지는 걷는 닭에 대해 최대 80%의 값을 얻었습니다. 비율 복구에서 빨리 실행해 바퀴벌레이었 5%(Full&Tu,1991,사람을 표시하지 않는 실행되었는 네 발하고 있는 두발).

진자 원리가 달리기에 에너지를 절약 할 수는 없지만 탄성 메커니즘은 할 수 있습니다. 많(kinetic plus 잠재적)에너지 분실하여 인간의 주자 상반기에 단계로 저장되는 탄성 변형에서 에너지 뻗어 힘줄과 인대와 반환에 의해 탄력 있는 반동에서 하반기(Ker et al. 1987). 마찬가지로,달리는 타조,칠면조 및 기니 새에서 에너지는 디지털 굴곡 힘줄에 탄성 저장으로 저장됩니다(Alexander et al. 1979;Daley&Biewener,2003). 나는 도마뱀이나 바퀴벌레를 달리는 탄력있는 메커니즘에 의한 에너지 절약의 시연을 알지 못한다.

성인 인간과 대부분의 새들은 우리가 보았 듯이 좁은 궤도를 가지고 있습니다. 그들이지면에서 발휘하는 힘의 횡단 구성 요소는 종 방향 구성 요소보다 훨씬 작습니다(Clark&Alexander,1975;Donelan et al. 2001). 도마뱀과 바퀴벌레에는 넓은 선로가 있습니다. Farley&Ko(1997)는 도마뱀의 네발 운동에 대해 보여 주었고,Full et al. (1991)는 바퀴벌레의 육면체 운동에 대해 횡력이 종 방향 힘과 크기가 비슷하다는 것을 보여 주었다. 두 분류군 모두에서 두발 달리기에 대해서도 마찬가지일 것으로 보인다.

걷기와 대다수의 경우 또한 달리기에서 인간은 발 뒤꿈치로 먼저 땅을 치게됩니다. 중심의 압력이 움직임이 앞으로 발 뒤꿈치에서 발의 공의 과정에서,단계이며,발가락은 마지막 부분의 발을 떠나는 지상(예를 들어 볼 Debrunner,1985). 두발과 네발 운동 모두에서 보노보는 일반적으로 발 뒤꿈치와 중간 발의 측면 부분을 동시에 내려 놓습니다. 인간과 마찬가지로 압력의 중심은 발바닥을 따라 앞으로 움직이며 발가락은 발의 마지막 부분이지면을 떠납니다(Vereecke et al. 2003).