E2 Integriertes Elastiksystem

Thema

Bei Säugetieren dienen die Sehnen der Gliedmaßen und der Wirbelsäule als Speicher und Reserve elastischer Energie. Zu den Gliedmaßensehnen gehören die Achillessehne bei Vierbeinern und Menschen, die tiefe Beugesehne bei Pferden und die proximalen Sehnen bei Kängurus: Sie alle speichern elastische potenzielle Energie während der Belastungsphase des Gangzyklus und geben sie während der anschließenden Abstoßphase wieder ab, wodurch der Energieaufwand für die Fortbewegung reduziert wird.

Neben diesen Sehnen erfüllt die Wirbelsäule bei Katzen dieselbe Funktion als Speicher und Reserve elastischer Energie: Sie wirkt wie eine Feder, die sich mit jedem Schritt biegt und streckt. Dadurch wird die Schrittlänge über das hinaus erhöht, was die Gliedmaßen allein ermöglichen würden, und während des Galopps wird zusätzliche elastische Energie gespeichert, die die Wirbelsäule dem Tier in der nächsten Phase des Zyklus wieder zur Verfügung stellt.

Das mechanische Verhalten dieser Sehnen ist viskoelastisch und nichtlinear: Die Kurve, die die Kraft, der die Sehne standhält, mit ihrer Dehnung in Beziehung setzt, zeigt einen anfänglichen Abschnitt geringer Steifigkeit. In diesem Abschnitt spannen sich die noch ungedehnten Kollagenfasern allmählich an, bevor sie in einen linearen Abschnitt mit höherer Steifigkeit übergehen. Diese Steifigkeit der Sehne ist, sobald dieser lineare Abschnitt erreicht ist, der zentrale mechanische Parameter, der bestimmt, wie viel elastische Energie die Sehne in jedem Belastungszyklus speichern und freisetzen kann.

Nicht die gesamte elastische Energie, die die Sehne während der Belastung speichert, wird während der Bewegung vollständig freigesetzt: In jedem Zyklus geht ein Teil dieser Energie als Wärme verloren – ein Phänomen, das als Hysterese bekannt ist. Bei einer gesunden Sehne ist dieser Verlust pro Zyklus gering und beträgt nur vier bis zehn Prozent der gespeicherten Energie.

Die Steifigkeit der Sehne definiert zusammen mit der von ihr getragenen Körpermasse eine Eigenfrequenz für das von ihnen gebildete Feder-Masse-System: Je steifer die Sehne und je kleiner die Masse, die sie bewegen muss, desto höher ist diese Eigenfrequenz. Diese Eigenfrequenz bestimmt wiederum die Lauffrequenz, bei der das Tier am wenigsten Energie verbraucht, da ein Lauf nahe dieser Eigenfrequenz den effizientesten Austausch elastischer Energie zwischen Sehne und Körper ermöglicht. Säugetiere mit auf die Speicherung elastischer Energie spezialisierten Sehnen – Kängurus, Gazellen, Geparden – weisen im Verhältnis zu ihrer Körpergröße eine besonders hohe Sehnensteifigkeit und Energierückgewinnungseffizienz auf. Diese Kombination aus hoher Steifigkeit und geringem Hystereseverlust ermöglicht es ihnen, mit jedem Schritt mehr als die Hälfte des Energieaufwands zu sparen, den sie ohne die Funktion ihrer Sehnen und Wirbelsäule als Speicher und Speicher elastischer Energie benötigen würden.

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