A dinoszauruszok biomechanikája

A dinoszauruszok biomechanikája a biofizikai kutatások egyik iránya , melynek célja a kihalt mezozoos hüllők fizikai jellemzőinek , mozgásmódjuknak, valamint az élettani rendszerek működésének fizikai vonatkozásainak meghatározása. E vizsgálatok információforrása csontmaradványok paleontológiai leletei, dinoszaurusz-lábnyomok, valamint az állatvilág élő képviselőivel való fizikai analógiák.

A dinoszauruszok biomechanikájával kapcsolatos kutatások szorosan összefüggenek a kihalt óriásemlősök és a később élt madarak tanulmányozásával [1] .

Dinoszauruszok tömege

Az állat tömege az egyik legfontosabb biomechanikai jellemző, melynek ismerete az állat életmódjának, mozgásmódjának tanulmányozásának kiindulópontja. Jelenleg két fő módszer létezik a kihalt állatok tömegének meghatározására - térfogati modellekkel és a végtagok csontjainak keresztirányú méretei alapján.

Tömegmeghatározás térfogati modellekkel

A fosszilis csontvázak tanulmányozása lehetővé teszi a kihalt állatok méretének és megjelenésének pontos megítélését. A csontok méretei, figyelembe véve az ízületi hézagokat, amelyeket a modern állatokkal analóg módon veszünk, megadják a test méreteit. A csontos gerincek mérete, amelyek az inak rögzítésére szolgálnak, erőt és tömeget adnak az izmoknak. Háromdimenziós modelleket hoztak létre bizonyos típusú dinoszauruszok számára. Például 1:40 méretarányú műanyag modellek kaphatók a londoni Natural History Museum-ban.

Legyen a modell térfogata, például a modell folyadékba merítésével mérve V m , a léptéktényező k , az állat átlagos sűrűsége pedig ρ. Ezután a képlettel kiszámítható a modell prototípusaként szolgáló állat tömege

Az állat átlagos sűrűsége megközelítőleg megegyezik a víz sűrűségével, azaz 1000 kg/m 3 .

Például egy 1:40 méretarányú brachiosaurus 728 cm 3 (728 10 -6 m 3 ) térfogatú modelljéhez kapunk

A tömeg meghatározása a tartócsontok vastagságával

Amint azt az élő fajokon végzett mérések mutatják, az állat tömege és a tartócsontok vastagsága (tetralábúaknál a humerus és combcsont, kétlábúaknál a combcsont) hozzávetőleges arányban van összefüggésben

ahol M a tömeg kg-ban, C h és C f a felkarcsont, illetve a combcsont kerülete mm-ben (egy csont kerülete hozzávetőlegesen a hosszának közepén van).

Feltételezve, hogy a kihalt hüllők beleillenek ebbe a mintába, meg lehet becsülni a dinoszaurusz tömegét a csontok méretével.

Például, ha egy Brachiosaurus esetében a felkarcsont és a combcsont kerülete rendre 654, illetve 730 mm, akkor tömegének becsült értéke hozzávetőlegesen

Rengeteg különböző típusú dinoszaurusz

Egyes dinoszauruszok tömege (tonnában) [2]

Talajnyomás

A dinoszaurusz talajra gyakorolt ​​nyomása a tömegének a támasztófelületek, azaz a lábak területéhez viszonyított arányaként becsülhető meg. A támasztófelületek közvetlenül a dinoszaurusz lábnyomaiból mérhetők, amelyeket ma már nagy számban találtak a jura és kréta geológiai lelőhelyeken. Összehasonlítva a lenyomat alakját a különböző dinoszauruszok végtagjainak vázának alakjával, meghatározható bizonyos nyomok faji hovatartozása, valamint megtalálhatja a kapcsolatot a nyom területe és a csontok lineáris méretei között. .

A talajnyomás egyes dinoszauruszfajok és modern állatok számára [4]

Összehasonlításképpen meg kell jegyezni, hogy a modern tartályok, amelyek tömege megközelítőleg megfelel a legnagyobb dinoszauruszok tömegének, körülbelül 200–270 kN/m2 nyomást hoznak létre a talajon , miközben a talajra gyakorolt ​​nyomás megközelítőleg állandó marad, amikor A tank mozgása, míg az egyik lábról a másikra költöző dinoszauruszok járás közben legalább kétszer akkora nyomást keltenek, mint a táblázatban. Például az Apatosaurusban a talajnyomás csúcsértéke elérheti az 580 kN/m2-t vagy többet. A talajnyomás jellemzi annak kockázatát, hogy egy állat vagy berendezés elakad a nedves talajban.

A táblázatban az Mg/S 1,5 értéke is látható . Úgy gondolják, hogy ez az érték jellemzi a száraz homokba való belemerülés kockázatát.

Mozgási sebesség

A dinoszaurusz-lábnyomok paleontológiai leletei lehetővé teszik mozgásuk sebességének becslését [6] . A számítás elve a mozgás sebességének a lépés hosszától való függésén alapul. A nagyobb lépéshossz nagyobb sebességnek felel meg. Figyelembe kell azonban venni, hogy azonos mozgási sebesség mellett a különböző méretű állatok különböző hosszúságú lépéseket tesznek. Ennek figyelembevételére a számítások során az L* relatív lépéshosszt használjuk, amely megegyezik az L abszolút lépéshossz és az L l végtaghossz arányával .

A lépéshossz az ugyanazon láb két egymást követő lenyomata közötti távolság. Azaz a hétköznapi fogalmak szerint ez két lépésnek felel meg. A végtag hossza alatt a csípőízület talajszinten mért magasságát értjük normál testhelyzetben.

Ezenkívül figyelembe kell venni, hogy az állatok még azonos relatív hosszúságú lépések esetén is eltérő sebességet fejtenek ki. Megállapítást nyert azonban, hogy ebben az esetben a relatív sebesség azonos, amit a kifejezés határoz meg

ahol V az abszolút sebesség m/s-ban; g a szabadesési gyorsulás 9,8 m/s 2 .

A számítások azt mutatják, hogy különböző emlős- és madárfajok esetében a relatív sebesség arányos a relatív lépéshosszal, az arányossági együttható körülbelül 0,65.

vagy

Például, ha egy sprinter 10 másodperc alatt fut le száz métert, miközben 45 lépést tesz meg, akkor a dupla lépés hossza 4,5 m, az 1,8 m magasságú láb hossza körülbelül 0,9 m. A lépés relatív hossza L * = 4,5 / 0,9 = 5, innen a relatív sebesség V* = 0,65 5 = 3,25. A megfelelő abszolút sebesség V = 9,65 m/s, ami nagyon közel áll a 10 m/s-os tényleges átlagsebességhez.

Dinoszauruszok mozgási sebességének becslése kövületi nyomokon [7]

A dinoszauruszok legnagyobb mozgási sebességét a Texasban talált nyomok szerint [10] rögzítették , és 12 m/s (43 km/h). A lábnyomok két, 29 és 38 cm lábhosszúságú theropodáé voltak, a nagyobbik tömegét 600 kg-ra becsülik [11] .

Mobilitás

A fosszilis lábnyomok általában a dinoszauruszok nyugalmi mozgását tükrözik. Különösen érdekes a dinoszauruszok azon képessége, hogy extrém helyzetben gyorsan futnak, ugrálnak és élesen manővereznek. Mindez közvetve a csontok dinamikus terhelésekre való erőssége alapján ítélhető meg.

A csontszilárdság a hajlítási igénybevételekre vonatkozóan a [12] értékkel jellemezhető.

ahol M az állat tömege, x a csont hossza, Z a csontszakasz statikus nyomatéka, amely azt jellemzi, hogy egy adott szakaszon a csont mennyire ellenáll a hajlító erőknek. Ez az érték függ többek között a csont keresztmetszetétől, a hajlítás síkjában lévő csont vastagságától, valamint a metszet alakjától is. Például egy üreges cső jobban ellenáll a hajlításnak, mint az azonos keresztmetszetű tömör rúd.

Körmetszet esetén a statikus nyomatékot a következőképpen számítjuk ki

ahol R a csontszakasz sugara. Egy ovális szakasz esetében a képlet a következőt veszi fel

ahol a a csont fele a hajlítás síkjában, b a félvastagság a hajlítás síkjára merőleges irányban.

Egyes dinoszauruszok és modern állatok lábcsontjainak Z /Mx értéke [13]

A legnagyobb, vágtatásra képes modern állat a fehér orrszarvú , amelynek tömege eléri a 3 tonnát. Az elefánt nem tud sem vágtatni, sem ugrani, sajátos járással mozog, hasonlóan az amble -hez . Feltételezhető, hogy a 10-nél nagyobb Z/Mx arányú állatok tudnak ugrani és vágtázni.A táblázatban bemutatott nagy dinoszauruszok közül ezek közé tartozik a triceratops is . Diplodocusban a Z/Mx arány 2-3-szor kisebb a határértéknél, így feltehetően csak lépésenként tud mozogni. Egy Tyrannosaurus Rexben , amely nagyjából akkora, mint egy elefánt Z/Mx -ben, megkérdőjelezhető a gyors futás és ugrás képessége. Azonban egy kétlábú tyrannosaurus összehasonlítása egy négylábú elefánttal nem biztos, hogy helyes. A legnagyobb modern kétlábúakhoz, az emberekhez és a struccokhoz képest a Tyrannosaurus rex Z/Mx aránya sokkal alacsonyabb [14] .

Jegyzetek

1. ↑ McNeill Alexander R. A dinoszauruszok és más kihalt óriások dinamikája . - New York: Columbia University Press, 1989. - 167 p. — ISBN 0-231-06666-X , 9780231066679. Könyvismertetés (angol nyelven).  
2. ↑ McNeill Alexander R. , 1989, p. 25.
3. ↑ Colbert EH A dinoszauruszok súlya  //  American Museum Novitates. - 1962. - 1. évf. 2076 . - P. 1-16 .
4. ↑ 1 2 McNeill Alexander R. Néhány nagy dinoszauruszok testtartásának és járásának mechanikája  //  Zoological Journal of the Linnean Society. - 1985. - 1. évf. 83 . - P. 1-25 .
5. ↑ Anderson JF, Hall-Martin A., Russell DA Hosszú csontok kerülete és súlya emlősökben, madarakban és dinoszauruszokban  //  Zoological Journal of the Linnean Society. - 1985. - 1. évf. 207 . - P. 53-61 .
6. ↑ McNeill Alexander R. , 1989, pp. 33–42.
7. ↑ McNeill Alexander R. , 1989, p. 40.
8. ↑ Bird RT Járt valaha a brontosaurus a szárazföldön? (angol)  // Természetrajz. - New York, 1944. - 1. évf. 53 . - 60-67 . o .  
9. ↑ Thulborn RA, Wade M. Dinosaur trackways in the Winton formáció (mid-cretaceous) of Queensland  //  Memoirs of the Queensland Museum. - 1984. - 1. évf. 21 . - P. 413-517 .
10. ↑ Farlow JO A dinoszauruszok sebességének becslései egy új texasi nyomvonalról   // Nature . - 1981. - 1. évf. 294 . - P. 747-748 .
11. ↑ McNeill Alexander R. , 1989, pp. 40–41.
12. ↑ McNeill Alexander R. , 1989, pp. 45–50.
13. ↑ McNeill Alexander R. , 1989, p. 56.
14. ↑ McNeill Alexander R. , 1989, pp. 56–57.