Как лягушка использует сухожилие при прыжке

Прыжок лягушки не обязательно повторяет скорость укорочения мышечных волокон. Исследования связывают быстрое отталкивание с накоплением упругой энергии и её высвобождением через работу всей конечности.

Мощность прыжка не равна мощности отдельной мышцы

В работе две тысячи одиннадцатого года сравнивали кубинских квакш, леопардовых лягушек и жаб аг. Площадка, измеряющая силы, позволяла оценивать механическую мощность во время прыжка. Отдельно исследовали наибольшую мощность изолированной мышцы, связанной с разгибанием стопы.

Мощность показывает, насколько быстро выполняется работа. Поэтому большое усилие и высокая мощность нельзя считать одним показателем: для мощности имеет значение также скорость движения под нагрузкой.

Между видами обнаружились значительные различия мощности прыжка. Кубинские квакши развивали самые высокие значения, жабы аги — самые низкие, а леопардовые лягушки занимали промежуточное положение. Однако различия доступной мышечной мощности не соответствовали различиям мощности прыжка.

Авторы предложили учитывать дополнительные механизмы, включая запасание упругой энергии. Этот вывод не означает, что мышцы перестают обеспечивать движение. Он показывает ограничение простого объяснения: способность изолированной мышцы развивать мощность не определяла полностью мощность прыжка. Для сравнения также важно сохранять способ измерения и то, к какой массе относили результат.

Мышца укорачивается раньше движения сустава

В статье, вышедшей в две тысячи двенадцатом году после публикации в сети предыдущей осенью, проверяли признаки механизма катапульты. Так называют предварительное накопление энергии с последующим быстрым высвобождением, а не металлическое устройство внутри ноги.

Исследователи использовали высокоскоростную рентгеновскую съёмку с метками. Одновременно определяли изменение длины мышечных пучков и движение голеностопного сустава, соединяющего голень со стопой. Поэтому могли сравнить внутреннее укорочение и наружное движение, а не только расстояние прыжка.

В записанных прыжках мышечные пучки начинали укорачиваться до движения сустава. Затем наступал период быстрого движения и ускорения сустава при небольшом изменении длины пучков. Такое разделение согласуется сначала с растяжением сухожилия, а затем с его упругим возвратом.

Авторы подчеркнули, что длину сухожилия напрямую не измеряли. Доказательство опиралось на рассогласование зарегистрированных движений мышцы и сустава. Подобный механизм отмечали и в прыжках, не достигавших наибольшей мощности. Следовательно, заметный вклад упругости не ограничивается только рекордным прыжком, а обычное внешнее видео не заменяет внутренние измерения.

Что удерживает сустав перед высвобождением энергии

Работа две тысячи четырнадцатого года рассматривала предварительное нагружение упругой структуры без отдельной анатомической защёлки. Для этого изучали прыжки трёх леопардовых лягушек, одновременно записывая трёхмерное движение и силы под отдельной стопой.

По этим данным рассчитывали механические свойства нескольких суставов задней конечности. В начале прыжка увеличивались моменты сил возле вышележащих суставов — их вращающее действие на части конечности. Это позволяло мышцам у голеностопного сустава развивать большую силу и предварительно нагружать упругую структуру. Позднее уменьшение этих моментов позволяло стопе разгибаться за счёт упругого возврата.

На протяжении прыжка менялось также механическое преимущество мышцы — соотношение её усилия и передаваемого действия на сустав. При первоначальном нагружении и последующем возврате оно было разным.

Авторы описали динамическое удержание через баланс и направление сил во всей ноге. Это отличается от найденной отдельной детали, запирающей сустав. Согласованная работа конечности может сначала сопротивляться движению, позволяя накопить энергию, а затем допускать её высвобождение. Этот расчёт не устанавливает одинаковое устройство защёлки у каждой лягушки.

Что видно на иллюстрации

Пятнистая лягушка сидит у воды с согнутыми задними ногами. У северной леопардовой лягушки гладкая кожа бывает зелёной или коричневой, а крупные тёмные пятна окружены светлыми краями. По бокам спины проходят светлые продольные складки.

Портрет показывает внешность. Изменение длины мышечных пучков и запас энергии требуют измерений.