Groß zu sein ist ein kleiner Vorteil in Bezug auf die Geschwindigkeit, aber in vielerlei Hinsicht ein erheblicher mechanischer Nachteil. Große Tiere laufen nicht schneller als kleinere Tiere. Die Geschwindigkeit eines Tieres entspricht der Schrittlänge mal der Anzahl der Schritte, die es in einer Minute macht. Große Tiere haben lange Beine und haben einen proportional längeren Schritt, aber sie haben eine größere Herausforderung, wenn sie ihre größeren Beine so schnell hin und her bewegen müssen.

Ihre zunehmende Schwerfälligkeit hebt den Vorteil längerer Beine mit zunehmender Tiergröße fast vollständig auf. Die Kraft, die ein Muskel auf ein Glied ausüben kann, um es zu beschleunigen, ist proportional zur Querschnittsfläche der Muskelfasern – ein dickes Seil kann stärker ziehen als ein dünnes. Große Tiere können also mehr Kraft auf ihre Beine ausüben als kleine. Dieser Vorteil wird jedoch durch einen Nachteil mehr als kompensiert, der sich mit zunehmender Größe viel schneller einstellt: Die Gliedmaßen werden schwerer. Die Querschnittsfläche nimmt nur mit dem Quadrat der Länge zu, während die Masse eines Tieres und seiner separaten beweglichen Teile mit dem Volumen oder der Länge in Kubikgröße zunimmt. Wenn also ein Tier größer wird, nimmt das Gewicht seiner Beine schneller zu als die Muskelkraft, die zur Verfügung steht, um diese Beine schnell zu bewegen. Es wäre, als würde man versuchen, ein Auto durch den Einbau eines größeren Motors schneller fahren zu lassen, nur um festzustellen, dass das zusätzliche Gewicht dieses größeren Motors und der verstärkte Rahmen, der zu seiner Unterstützung erforderlich ist, das Auto langsamer laufen ließen.

Während also die Schrittlänge proportional zur Beinlänge eines Tieres zunimmt, nimmt die Schrittfrequenz im Wesentlichen im gleichen Verhältnis ab, sodass die Geschwindigkeit unabhängig von der Größe im Wesentlichen gleich bleibt.

Diese Berechnung gilt nur für geometrisch ähnliche Tiere, das heißt, deren Gliedmaßen und Muskeln alle die gleichen Proportionen haben. Aber Pferde haben einige Möglichkeiten entwickelt, um den Cookie-Cutter-Plan zu umgehen und so die Chancen zu übertreffen.

Ihre Beine sind für ein Tier ihrer Größe unverhältnismäßig lang und ihre Muskeln sind auf einzigartige Weise angeordnet, um die Schrittfrequenz zu erhöhen. Diese Anpassungen ermöglichen es Pferden, Höchstgeschwindigkeiten deutlicher zu erreichen als jedes andere Landtier gleicher Größe.

Das Bemerkenswertere an der Mechanik des Pferdes ist jedoch nicht so sehr, wie es die Geschwindigkeit erreicht, die es erreicht, sondern wie es mit den begleitenden Problemen umgeht, schnell und groß zu sein.

Im Bereich der Ausdauer zeichnet sich das Pferd wirklich aus. Trotz seines beträchtlichen Gewichts kann ein Pferd die Geschwindigkeit über große Entfernungen halten. Pferde haben 80 Kilometer in etwas mehr als vier Stunden zurückgelegt. Eine solche Leistung erfordert eine außergewöhnliche Effizienz im mechanischen Design.

Gleichzeitig bedeutet Größe, Gewicht und Schnelligkeit enorme strukturelle Belastungen für die Gliedmaßen. Sie müssen leicht sein, um hohe Beschleunigungen zu erreichen, aber stark genug, um den Aufprall beim Galoppieren über unebenes Gelände auszuhalten.

Etwas zu konstruieren, das gleichzeitig leicht und stark ist, ist ein klassisches Problem des Maschinenbaus. Vor nicht allzu langer Zeit begannen Ingenieure zu erkennen, dass Ingenieure die gleichen Methoden anwenden konnten, die entwickelt wurden, um zu analysieren, wie Materialien unter Last in Gebäuden oder Flugzeugen Tieren und Pflanzen standhalten, um zu verstehen, warum sie die Formen annehmen, die sie annehmen.

Gelegentlich haben diese „biomechanischen“ Studien sogar auf technische Lösungen für schwierige aerodynamische oder robotische Konstruktionsprobleme hingewiesen – Lösungen, auf die die Natur bereits durch das lange Versuch-und-Irrtum der Evolution gestoßen war. Die Geschichte, wie sich die Pferdebeine entwickelt haben, um ein komplexes Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit, Effizienz und Kraft zu finden, ist ebenfalls eine Geschichte der Technik.

 

Credits:
Natur der Pferde, Stephan Budiansky ISBN 0 297 81779 5
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