إن أسرع حيوان على الأرض هو الفهد، حيث يمكنه الوصول إلى سرعات قصوى تبلغ 104 كيلومترات في الساعة. وفي الماء، أسرع الحيوانات هي سمك التونة ذات الزعانف الصفراء والواهو، والتي يمكن أن تصل سرعتها إلى 75 و77 كيلومترًا في الساعة على التوالي. وفي الهواء، يذهب اللقب إلى طائر السمامة بيضاءة الحنجرة، والذي يتجاوز سرعته 112 كيلومترًا في الساعة. وقد استخدم مجموعة من العلماء نماذج حاسوبية متقدمة لاستكشاف العلاقة بين حجم الجسم والسرعة. ومن خلال إنشاء نماذج افتراضية مختلفة الأحجام للبشر، هدفوا إلى كشف الأسرار الكامنة وراء حجم الإنسان الحديث وعلاقته بالسرعة.
في دراستهم، التي نشرت في ورقة بحثية حديثة، كشف الباحثون أن مفتاح السرعة لا يكمن في أن تكون الأكبر أو الأصغر، بل في تحقيق التوازن المثالي بين الاثنين. واكتشفوا أن الحيوانات متوسطة الحجم، مثل الفهد، قادرة على الوصول إلى سرعات مذهلة بسبب مزيجها الفريد من القوة العضلية وشكل الجسم والجاذبية الأرضية.
ولكن ماذا يعني هذا بالنسبة للتطور البشري؟ هل كان على أسلافنا، بأحجام أجسادهم المختلفة، التضحية بالسرعة من أجل البقاء؟ وماذا يقول هذا عن إمكاناتنا كعدائيين ورياضيين اليوم؟
محتويات المقال :
برنامج OpenSim
منذ أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كان العلماء يعملون على بناء “OpenSim”، وهو نموذج افتراضي متاح مجانًا لجسم الإنسان، مع جميع عظامه وعضلاته وأوتاره.
وقد تم استخدام هذا النموذج في العديد من الدراسات العلمية لفهم الحركة البشرية واستكشاف علم التمارين الرياضية والمساعدة في نمذجة تأثيرات الجراحة على الأنسجة الرخوة.
وفي عام 2019، اتخذت مجموعة من الباحثين البلجيكيين خطوة أخرى إلى الأمام، وبنوا محاكاة تعتمد على الفيزياء باستخدام “OpenSim”. وبدلاً من إخبار النموذج بكيفية التحرك، طلبوا منه التحرك للأمام بسرعة معينة. ثم اكتشف النموذج مجموعات العضلات التي يجب تنشيطها حتى يتمكن من المشي أو الجري بالسرعة المحددة.
قام الفريق بأخذ النموذج البشري القياسي (75 كجم)، وصنعوا نماذج أصغر فأصغر حتى بلغ وزنها 100 جرام. كما صنعوا نماذج أكبر حتى بلغ وزنها 2000 كجم، وتحدوها للركض بأسرع ما يمكن.
الأكبر ليس الأفضل
لم يكن النموذج الذي يزن 2000 كجم قادرًا على الحركة. ولم يكن النموذج الذي يزن 1000 كجم قادرًا على الحركة أيضًا. في الواقع، كان أكبر نموذج يمكنه الحركة يبلغ وزنه 900 كجم، مما يشير إلى حد أقصى لشكل الإنسان. فبعد هذا الحجم، نحتاج إلى تغيير الشكل حتى نتمكن من الحركة.
كما وجد العلماء أن أسرع نموذج لم يكن الأكبر ولا الأصغر. بل كان وزنه حوالي 47 كجم، وهو وزن مماثل لوزن الفهد المتوسط.
إن المنحنى الذي يفسر شكل أقصى سرعة للجري مع الكتلة هو نفس شكل المنحنى، والذي يفسر أقصى قوة رد فعل الأرض مع الكتلة. تشير قوة رد فعل الأرض (GRF) إلى القوة التي تمارسها الأرض على جسم على اتصال بها. وهذا منطقي، لأن التحرك بشكل أسرع، يحتاج إلى الدفع عن الأرض بقوة أكبر. فلماذا لا تستطيع النماذج الأكبر دفع الأرض بقوة أكبر؟
يبدو أن النماذج الأكبر كانت محدودة بعضلاتها. حيث تعتمد قدرة العضلة على إنتاج القوة على مساحة المقطع العرضي (cross sectional area) لتلك العضلة. ومع زيادة حجم الحيوانات، تزداد كتلة عضلاتها بسرعة أكبر من مساحة المقطع العرضي لها.
وهذا يعني أن عضلات الحيوانات الأكبر حجمًا أضعف نسبيًا. حيث تبدأ العضلات في “الوصول إلى الحد الأقصى” من السرعة القصوى، وبالتالي يتعين على النموذج أن يتباطأ.
الأصغر يواجه مشاكل مع الجاذبية
تتمتع النماذج المصغرة بعضلات أقوى نسبيًا، لكنها تعاني من مشكلة الجاذبية. فهي خفيفة الوزن للغاية. حيث تحاول الدفع على الأرض لإنتاج قوة كبيرة، لكن هذا يتسبب في ترك أجسامها للأرض في وقت مبكر.
ولمحاولة إنتاج المزيد من القوة على الأرض، فإنها تنحنى بأطرافها، تمامًا كما تفعل الفئران أو القطط. حيث يسمح لها هذا بالبقاء على الأرض لفترة أطول وبالتالي إنتاج المزيد من القوة، تمامًا كما قد تفعل عند القفز وأنت في وضع الوقوف. لكن هذا يستغرق وقتًا، وكلما طالت المدة التي تستغرقها لإنتاج القوة، كلما كانت خطوتك أبطأ ولن تركض بشكل أسرع.
لذا، تبدأ عملية الموازنة بين قوة رد فعل الأرض وتردد خطواتك، ولا تنتهي إلا عندما تصل إلى الحجم المتوسط، حيث تكون كتلتك مناسبة تمامًا.
إن هذه النتائج لها آثار مهمة على فهمنا للتطور البشري، مما يشير إلى أنه مع زيادة حجم البشر بمرور الوقت، زادت سرعة الجري لدينا أيضًا، حتى وصلنا إلى الحجم الأمثل للسرعة. واليوم، يبلغ متوسط حجم الإنسان الحديث البالغ حوالي 62 كجم، وهو قريب من الحجم المثالي للسرعة القصوى.
كيف وصل البشر إلى أقصى سرعة لهم؟
نحن نعلم على مر التاريخ أن حجم البشر المعاصرين والأنواع البشرية المنقرضة، المجموعة المعروفة باسم البشراناوية (hominins)، قد تباين بشكل كبير، من أسترالوبيثكس أفارينسيس الذي كان يبلغ وزنه حوالي 30 كجم والذي كان موجودًا منذ حوالي 3.5 مليون سنة، إلى الإنسان المنتصب الذي كان وزنه حوالي 80 كجم منذ ما يقرب من 2 مليون سنة.
لذا فإن كتلة الجسم تميل عمومًا إلى الزيادة، ومن المفترض أن سرعة الجري لدينا زادت أيضًا. لا بد أن هومو ناليدي، الذي كان موجودًا منذ حوالي 300000 عام وكان وزنه حوالي 37 كجم، وإنسان فلوريس، الذي كان موجودًا منذ حوالي 50000 عام وكان وزنه حوالي 27 كجم، كان عليهما التضحية ببعض السرعة من أجل حجمهما الصغير.
وبناءً على البحث الحالي، نعلم الآن أن البشر اليوم أسرع مما سنصل إليه تقريبًا، دون تغييرات كبيرة في شكل عضلاتنا.
المصدر
Not too big, not too small: why modern humans are the ideal size for speed | the conversation
Author: أخبار علمية
سعدنا بزيارتك، جميع مقالات الموقع هي ملك موقع الأكاديمية بوست ولا يحق لأي شخص أو جهة استخدامها دون الإشارة إليها كمصدر. تعمل إدارة الموقع على إدارة عملية كتابة المحتوى العلمي دون تدخل مباشر في أسلوب الكاتب، مما يحمل الكاتب المسؤولية عن مدى دقة وسلامة ما يكتب.
التعليقات :