Быстрый бег: что нужно, чтобы быть самым быстрым наземным хищником

Что делает гепарда самым быстрым наземным млекопитающим? Почему другие животные, например лошади, не так быстры? Хотя точная причина ещё не ясна, учёные имеют представление о том, как гепарды достигают рекордных скоростей.

Ключевые особенности бега гепарда:

• Используют галоп с двумя типами «фазы полёта» (когда все ноги оторваны от земли):
  1. Собранный полёт — после отталкивания передними конечностями, все ноги поджаты под тело.
  2. Растянутый полёт — после отталкивания задними конечностями, тело и ноги максимально вытянуты.
• Именно растянутый полёт, который зависит от специфических условий реакции опоры, позволяет гепардам разгоняться до высоких скоростей. У лошадей эта фаза отсутствует.
• Движение позвоночника (сгибание и разгибание в разных фазах полёта) также вносит вклад в скоростное передвижение.

Проблема изучения: Бег животных — это сложная гибридная динамика, сочетающая баллистическое движение центра масс в фазе полёта и действие сил реакции опоры в фазе опоры. Наблюдений недостаточно для понимания глубинных механизмов.

Новое исследование: Учёные под руководством доктора Томойи Камимуры из Технологического института Нагои (Япония) использовали компьютерное моделирование, чтобы изучить типы полёта и движение позвоночника при галопе.

Модель и результаты:

• Использовалась упрощённая двумерная модель из двух жёстких тел (имитирующих тело) и двух невесомых стержней (ног), соединённых шарниром с торсионной пружиной для имитации изгиба позвоночника.
• Решение уравнений движения дало шесть возможных периодических решений.
• Два решения напоминали галоп гепарда с двумя типами полёта, четыре — бег с одним типом полёта.
• Критерии, полученные из решений, были проверены на реальных данных гепардов. Оказалось, что реальный галоп гепарда действительно удовлетворяет критерию для двух типов полёта благодаря изгибу позвоночника.
• Решения также показали, что галоп лошади включает только собранный полёт из-за ограниченной подвижности позвоночника.

Вывод: Дополнительная фаза растянутого полёта в сочетании с изгибом позвоночника позволяет гепардам достигать рекордных скоростей.

«Наши выводы расширяют понимание динамических механизмов, лежащих в основе высокоскоростного передвижения гепардов. В будущем они могут быть применены для механического и управляющего проектирования шагающих роботов», — заключает доктор Камимура.

Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.