Gibt es in der Natur eine Reihe „fauler“ Regeln? Sie haben richtig gehört!

1. Einleitung: Das mysteriöse „faule“ Gesetz der Natur

Hallo Freunde! Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum alle Lebewesen auf der Welt über eine geheimnisvolle „Weisheit“ zu verfügen scheinen, wenn sie handeln, sodass sie immer den einfachsten und arbeitssparendsten Weg wählen? Das ist kein Zufall. Dahinter verbirgt sich ein supermagisches Prinzip – das Prinzip der kleinsten Wirkung. Dieses Prinzip ist wie ein „faules“ Geheimnis der Natur. Ob wir Menschen gehen oder laufen, Vögel fliegen oder Fische schwimmen, wir alle folgen ihm unbewusst. Lassen Sie uns heute das Geheimnis dieses magischen Prinzips lüften und sehen, wie es im Bereich der Biomechanik Wunder bewirkt.

2. Was ist das Prinzip der kleinsten Wirkung?

Um das Prinzip der kleinsten Wirkung zu verstehen, beginnen wir zunächst mit der Ausbreitung des Lichts.

1. Die magische Abkürzung des Lichts

Schauen wir uns zunächst Guang an. Dieser Typ ist wirklich ungeduldig und direkt. Er denkt immer daran, „Abkürzungen zu nehmen“ und nimmt lieber einen geraden Weg als einen Umweg. Bei der Ausbreitung von Licht in unterschiedlichen Medien tritt ein interessantes Phänomen auf. Wenn es zum Beispiel aus der Luft ins Wasser geschossen wird, geschieht dies nicht einfach zufällig. Nach dem Fermatschen Prinzip (dem optischen Pendant zum Prinzip der kleinsten Wirkung) wählt das Licht einen Weg, der seine Reisezeit minimiert (Abbildung 1). Es ist, als wüsste das Licht selbst, welcher Weg der schnellste ist. Ist das nicht erstaunlich? Wissenschaftler haben zahlreiche Experimente durchgeführt, um dies zu bestätigen.

Abbildung 1 Der Ausbreitungsweg des Lichts beim Durchgang durch die Schnittstelle verschiedener Medien

Im Laufe der Zeit erkannten die Wissenschaftler nach und nach, dass dieses Prinzip des „geringsten Aufwands“ nicht nur in der Optik, sondern auch bei verschiedenen Phänomenen in der Natur Anwendung findet. Wassertropfen sind beispielsweise normalerweise abgeplattet und kugelförmig, was auf die Minimierung der Summe ihrer potenziellen Oberflächenenergie und ihrer potenziellen Gravitationsenergie zurückzuführen ist. Die optimale Form der roten Blutkörperchen ist das Ergebnis der Minimierung der Energie, die die elastische Zellmembran bei ihrer Verformung aufweist (Abbildung 2).

Abbildung 2 Das Auftreten von Wassertropfen und roten Blutkörperchen

Im 18. Jahrhundert verallgemeinerte der französische Physiker Maupertuis das Prinzip der kleinsten Wirkung weiter und wandte es auf mechanische Systeme an. Er schlug vor, dass bei allen Naturphänomenen die Wirkung immer auf ein Minimum zusteuert. Nach Maupertuis' Definition ist Aktion das Produkt aus der Masse eines Objekts, seiner Geschwindigkeit und der Entfernung, die es zurücklegt. Seine Theorie legte den Grundstein für die spätere Entwicklung der Lagrange- und Hamilton-Formulierungen der klassischen Mechanik.

2. Das Prinzip der kleinsten Wirkung in der Mechanik

Was also ist das Prinzip der kleinsten Wirkung in der Mechanik? Stellen Sie sich einen kleinen Ball vor, der einen Hügel hinunterrollt. Welchen Weg müssen Sie nehmen, um den Fuß des Hügels zu erreichen? Es rollt nicht einfach zufällig herum! Es wird eine Route gewählt, die eine bestimmte „Aktion“ minimiert – die schnellste Abstiegslinie (Abbildung 3).

Abbildung 3 Der Brachistozentrismus des Balls

Vereinfacht ausgedrückt ist diese Aktion wie eine spezielle Größe, die Faktoren wie die kinetische Energie, die potenzielle Energie und die Bewegungszeit des Balls kombiniert. Und dieses Prinzip ist nicht nur auf einfache rollende Bälle anwendbar, sondern auch auf komplexe mechanische Systeme, etwa in Situationen, in denen mehrere Objekte miteinander interagieren.

Wissenschaftler haben große Anstrengungen unternommen, um dieses Prinzip zu untersuchen. Durch eine große Zahl mathematischer Herleitungen und Experimente wurde festgestellt, dass bei einem konservativen System (d. h. einem System, in dem die mechanische Energie erhalten bleibt) die Wirkung üblicherweise als Integral der Lagrange-Funktion über die Zeit definiert wird. Dieser Lagrange-Operator steht in Zusammenhang mit den verallgemeinerten Koordinaten, der verallgemeinerten Geschwindigkeit und der Zeit des Objekts. Auch wenn es etwas kompliziert klingt, müssen Sie wissen, dass das mechanische System genauso wie das Licht nach dem schnellsten Weg sucht, nach der „kostengünstigsten“ Art der Fortbewegung. Dies ist die grundlegende Logik des Prinzips der kleinsten Wirkung.

Das Prinzip der kleinsten Wirkung besagt, dass sich ein Objekt beim Wechsel von einem Zustand in einen anderen auf dem Weg der kleinsten Wirkung bewegt, da dies der schnellste und energiesparendste Weg ist.

Das Prinzip der kleinsten Wirkung ist ein Grundprinzip der Physik, das besagt, dass die Bewegung oder Veränderung eines physikalischen Systems in der Natur immer einem Pfad folgt, bei dem eine bestimmte Aktion einen Extremwert (normalerweise einen Minimalwert) annimmt.

Der Ursprung dieses Prinzips lässt sich auf das antike philosophische Denken zurückführen. So glaubten beispielsweise die antiken griechischen Philosophen, dass Naturphänomene immer auf die wirtschaftlichste Weise auftreten. Im Laufe der wissenschaftlichen Entwicklung schlug Fermat das Fermat-Prinzip in der Optik vor, das besagt, dass sich Licht bei der Ausbreitung zwischen zwei Punkten immer auf dem Weg mit der kürzesten optischen Distanz (Zeit) ausbreitet. Dies ist eine frühe Manifestation des Prinzips der kleinsten Wirkung in der Optik. Später erweiterten Wissenschaftler wie Lagrange und Hamilton dieses Prinzip auf andere Bereiche wie die Mechanik.

In der modernen Physik ist das Prinzip der kleinsten Wirkung fast zu einem Allheilmittel geworden, mit dem sich fast alle physikalischen Gesetze erklären und herleiten lassen. Ob es sich um Newtons Gesetze in der klassischen Mechanik, Schrödingers Gleichung in der Quantenmechanik oder sogar Einsteins Feldgleichungen in der allgemeinen Relativitätstheorie handelt, sie alle können durch das Prinzip der kleinsten Wirkung abgeleitet werden. Dies ist wie ein Schlüssel, der die Tür zu verschiedenen komplexen Phänomenen der Physik öffnen kann.

3. Biomechanisches Prinzip des Prinzips der kleinsten Wirkung

1. Die „Energiesparexperten“ der Natur

1. Die energiesparenden Geheimnisse des menschlichen Gehens und Laufens

Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum das Gehen manchmal so einfach und das Laufen so geschmeidig ist? Das liegt nicht daran, dass Sie einen „Energieriegel“ gegessen haben, sondern daran, dass Ihr Körper still und leise dem Prinzip der geringsten Wirkung folgt. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der Mensch eine optimale Gehfrequenz von etwa 100–120 Schritten pro Minute hat, bei der der Energieverbrauch am geringsten ist (Abbildung 4).

Abbildung 4 Rhythmische Gehgeschwindigkeit bei einer bestimmten Frequenz

Es ist, als ob Ihr System aus Muskeln, Knochen und Gelenken einen sorgfältig choreografierten Tanz aufführt, bei dem die Energie des Körpers bei jedem Schritt genau richtig genutzt wird.

So macht das Laufen noch mehr Spaß. Studien haben gezeigt, dass bei Langstreckenläufern der Energieverbrauch umso geringer ist, je geringer die Schwankung des Körperschwerpunkts bei einer bestimmten Geschwindigkeit ist. Langstreckenläufer passen ihre Laufform und Geschwindigkeit an, um eine optimale Energieeffizienz zu erreichen. Sie sind wie eine Energiesparmaschine, die sich durch die Feinabstimmung ihrer Körperhaltung das „Fliegen“ auf der Startbahn erleichtert. Darüber hinaus gibt es auch Anforderungen an die Schrittlänge beim Laufen. Größer ist nicht unbedingt besser. Durch die richtige Kombination aus Schrittlänge und Schrittfrequenz können Läufer weiter und schneller laufen und verbrauchen dabei möglichst wenig Energie.

2. Die Energiespargeheimnisse der Tiere

(1) Die aerodynamische Magie des Vogelflugs. Vögel sind Meister des Fliegens und die Form ihrer Flügel und ihre Flughaltung sind sorgfältig darauf ausgelegt, Energie zu sparen. Durch Experimente im Windkanal haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Oberseite der Vogelflügel gewölbt ist, während die Unterseite relativ flach ist. Durch diese Konstruktion kann der Vogel beim Fliegen Auftrieb erzeugen, was auf den Magnus-Effekt der Strömungsmechanik zurückzuführen ist. Vögel passen außerdem den Winkel ihrer Flügel den Luftströmungsbedingungen an, indem sie aufsteigende Luftströmungen ausnutzen, ihre Flügel ausbreiten und schweben, als würden sie einen kostenlosen „Aufzug“ benutzen, und so eine Menge körperlicher Energie sparen. Untersuchungen zufolge können einige Zugvögel ihren Energieverbrauch während der Langstreckenwanderung um bis zu 30 % senken, indem sie die Luftströmungen sinnvoll nutzen. Aus diesem Grund bilden Wildgänse beim Flug nach Süden eine V-Form.

(2) Das Wunder des Insektenflugs. Die Flügel einer Biene können Hunderte Male pro Sekunde vibrieren. Diese hochfrequente Vibration scheint eine enorme Menge an Energie zu verbrauchen, tatsächlich kann die Biene jedoch die Dreh- und Neigungswinkel ihrer Flügel während des Fluges präzise steuern, um die Aerodynamik zu optimieren und den Energieverlust zu verringern. Sie erreichen einen effizienten Flug durch eine einzigartige Flugmuskelstruktur und Flügelbewegung. Wenn Bienen zwischen Blüten fliegen, um Nektar zu sammeln, besteht ihre Flugroute auch darin, unnötigen Energieverbrauch so weit wie möglich zu reduzieren. Wenn sie beispielsweise einen Weg zurück zum Bienenstock wählen, bevorzugen sie Wege mit kurzen Entfernungen und stabiler Luftströmung.

(3) Die hydrodynamische Intelligenz des Fischschwimmens. Der Körper eines Fisches ist stromlinienförmig und diese Form kann den Widerstand beim Schwimmen im Wasser erheblich verringern. Fische erzeugen Vortrieb durch das Schwingen ihrer Schwänze und Flossen. Sie passen ihre Schwimmhaltung der Geschwindigkeit und Richtung der Wasserströmung an, reagieren geschickt auf die Herausforderungen der Wasserströmung und sparen Energie, um Langstreckenwanderungen zu absolvieren. Wenn sie beispielsweise flussaufwärts schwimmen, schwingen sie ihren Schwanz kräftiger und beugen ihren Körper leicht, um den Aufprall des Wassers auf die Vorderseite ihres Körpers zu verringern. Wie ein flexibles U-Boot können sie geschickt auf die Herausforderungen der Wasserströmung reagieren und Energie sparen, um Langstreckenwanderungen zu absolvieren.

(4) Die Bewegungen der Insekten. Eine Studie über das Verhalten von Feuerameisen ergab, dass Feuerameisen beim Durchqueren der Oberflächen zweier verschiedener Medien immer dazu neigen, den Weg zu wählen, der am schnellsten dauert, und nicht den Weg mit der kürzesten Entfernung. Die Forscher erklärten, dass Feuerameisen sich bei der Routenbestimmung auf chemische Spuren verlassen und im Laufe der langen Evolution gelernt haben, sich auf die Bildung des besten Weges zu konzentrieren, um beim Kriechen Zeit und Energie zu sparen. Dieses Phänomen ist der Lichtbrechung in der Physik sehr ähnlich und beide sind das Ergebnis des Prinzips der kleinsten Wirkung.

3. Warum verändern Flüsse ihre Fließrichtung?

Ein Fluss ist ein lebloses Naturphänomen, das jedoch auch das Prinzip der kleinsten Wirkung geschickt ausnutzt. Der Flussverlauf eines Flusses wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst, beispielsweise vom Gelände, der geologischen Struktur und der Ablenkung der Erdrotation. Diese Faktoren führen dazu, dass Flüsse beim Fließen den Weg mit dem geringsten Widerstand und dem geringsten Energieverbrauch wählen. Unter dem kombinierten Einfluss dieser Faktoren wird der Fluss den Weg mit der geringsten Belastung (d. h. dem geringsten Widerstand und dem geringsten Energieverbrauch) wählen. Daher sind die Flüsse, die wir sehen, oft gewunden, was darauf zurückzuführen ist, dass Flüsse dem Prinzip der kleinsten Wirkung folgen (Abbildung 5).

Abbildung 5 Die Flussbiegung ist das Ergebnis des Prinzips der kleinsten Wirkung

4. Pulswellen im Gefäßsystem

Beispielsweise hat das menschliche Herz-Kreislauf-System nach einer langen Evolution eine zauberhafte und effiziente Transportleistung erlangt. Das Herz pumpt periodisch Blut in die Arterien und erzeugt so Pulswellen, die sich entlang der Arterien bis zum distalen Ende ausbreiten. Dieser Ausbreitungsmechanismus folgt dem Prinzip der kleinsten Wirkung. Der Schereffekt und der Druckübertragungseffekt, die während der Ausbreitung der Pulswelle entstehen, führen direkt zu Änderungen der rheologischen Eigenschaften des Blutes und haben eine „Spül-“ und „Reinigungsfunktion“ für die Blutgefäße, wodurch Blutgerinnung und Blutgefäßverstopfung verhindert werden, sodass das Gefäßabgabesystem eine effiziente Abgabe erreichen kann (Abbildung 6). Man kann sagen, dass das menschliche Herz-Kreislauf-System Pulswellen nutzt, um den Widerstand zu verringern und die Leistung zu steigern, was schlicht und ergreifend ein Geniestreich der Natur ist.

Abbildung 6 Gefäßsystem

2. Minimale Aktion bei der Motorsteuerung: Der magische Befehl des Nervensystems

1. Die wunderbare Bewegung der Muskelsynergie

Unser Nervensystem ist wie ein Superleiter, der die koordinierte Leistung der Muskeln nach dem Prinzip der kleinsten Wirkung steuert. Wenn wir nach einer Tasse greifen, werden bei dieser scheinbar einfachen Aktion tatsächlich Muskeln in mehreren Körperteilen beansprucht, darunter in den Armen, Schultern und im Rücken. Das Nervensystem „berechnet“ genau den Grad und die Dauer der Kontraktion jedes Muskels und bildet ein spezifisches Koordinationsmuster, das es uns ermöglicht, präzise Bewegungen mit möglichst geringem Energieaufwand auszuführen (Abbildung 7).

Abbildung 7 Muskelsynergie

Die Studie ergab, dass die Muskeln bei diesem Vorgang nicht unabhängig voneinander agieren, sondern ein spezifisches kollaboratives Muster bilden. Einige Muskeln sind für die Hauptkraftabgabe verantwortlich, während andere eine unterstützende Rolle bei der Stabilisierung der Gelenke und der Korrektur der Körperhaltung spielen. Diese Synergie ermöglicht es uns, präzise Bewegungen mit minimalem Energieaufwand auszuführen. Mithilfe der Elektromyographie und anderer Technologien haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Aktivierungsreihenfolge und -intensität der Muskeln bei geschickten Bewegungen bestimmten Regeln folgen. Diese Regel dient dazu, unnötigen Energieverbrauch und Muskelermüdung zu reduzieren.

2. Schnelle energiesparende Reaktion des motorischen Reflexes

Auch unsere motorischen Reflexe sind ein magischer Mechanismus des Nervensystems, der auf dem Prinzip der kleinsten Wirkung basiert. Genau wie wenn wir versehentlich auf etwas Rutschiges treten, reagieren unsere Füße schnell, um das Gleichgewicht zu halten. Dieser Vorgang ist sehr schnell und erfolgt nahezu augenblicklich. Diese schnelle Reaktion verhindert nicht nur, dass wir stürzen und uns verletzen, sondern geschieht auch auf die energieeffizienteste Art und Weise. Interessierte Studenten folgen bitte meinem persönlichen öffentlichen WeChat-Konto „Medical Biomechanics“ für Artikel: Biomechanik zum Thema „Die richtige Haltung bei Stürzen auf rutschigen, verschneiten Straßen“.

Ohne diesen effizienten Reflexmechanismus verbrauchen wir in Notsituationen möglicherweise viel Energie, um unser Körpergleichgewicht wiederherzustellen, und können uns sogar verletzen.

3. Biologische Struktur und minimale Aktion: Die Kristallisation evolutionärer Weisheit

1. Das geniale Design des Skeletts

Unsere Knochen sind wie die Bausteine ​​unseres Körpers und ihre Struktur hat sich nach dem Prinzip der kleinsten Wirkung entwickelt. Lange Knochen sind hohl (Abbildung 8). Durch diese Hohlstruktur lässt sich das Gewicht deutlich reduzieren, wobei gleichzeitig eine ausreichende Festigkeit gewährleistet ist, um das Körpergewicht und die äußeren Kräfte zu tragen, so dass der Körper beim Training nicht zu viel Energie aufwenden muss, um das „Zusatzgewicht“ zu bewegen.

Abbildung 8 Die Hohlstruktur der langen Knochen

Darüber hinaus ist die Dichteverteilung innerhalb der Knochen nicht gleichmäßig, sondern passt sich den Kraftverhältnissen an. Beispielsweise ist die Dichte an den beiden Enden des Oberschenkelknochens relativ gering, da hier der Hauptdruck lastet, während im Schaftbereich die Dichte höher ist, um einer stärkeren Biegung und einem größeren Drehmoment standzuhalten. Dieses geniale Design gleicht einer sorgfältig ausgearbeiteten Energiesparstruktur.

2. Effiziente Schmierung und Kraftübertragung von Gelenken

Gelenke sind die „Lager“ unseres Körpers und ihr Aufbau ist auch für die effiziente Nutzung von Energie entscheidend. Große Gelenke wie Knie- und Hüftgelenke haben glatte Gelenkflächen, die mit Knorpelgewebe bedeckt sind (Abbildungen 9 und 10). Dieser Knorpel wirkt wie ein natürliches Schmiermittel, verringert die Reibung bei Gelenkbewegungen erheblich, ermöglicht eine reibungslose Kraftübertragung zwischen den Knochen und minimiert den Energieverlust in den Gelenken.

Abbildung 9 Kniegelenk

Abbildung 10 Hüftgelenk (oben) und Bänder um das Hüftgelenk (unten)

Darüber hinaus spielen auch die Bänder und Muskeln rund um die Gelenke eine Rolle bei der Stabilisierung der Gelenke und der sinnvollen Kraftverteilung. Wenn wir trainieren, wird Kraft durch die Gelenke übertragen und die Bänder und Muskeln passen sich automatisch der Richtung und Intensität der Bewegung an. Dadurch kann die Kraft wie bei einem Präzisionsübertragungssystem gleichmäßig zwischen den Knochen übertragen werden, wodurch der Energieverlust an den Gelenken minimiert wird.

4. Anwendung des Minimalmaßnahmenprinzips in der Rehabilitation und im Sporttraining

1. Energieoptimierung in der Rehabilitationstherapie

Auch im Bereich der Rehabilitationstherapie findet das Prinzip der minimalen Maßnahmen wichtige Anwendung. Bei Patienten, die sich von einem Beinbruch erholen, ist es im Rahmen des frühen Rehabilitationstrainings nicht gestattet, übermäßige Übungen mit hoher Intensität durchzuführen, da dies viel Energie verbrauchen und zu Folgeschäden im verletzten Bereich führen kann. Stattdessen beginnen sie mit einfachen Übungen mit geringem Energieaufwand, beispielsweise Bewegungsübungen im Bett.

Beim Stehen oder Yoga arbeiten die Muskeln in den Beinen, der Taille und dem Rücken zusammen, um das Gleichgewicht des Körpers zu halten (Abbildung 11). Das Aktivierungsmuster und der Kontraktionsgrad dieser Muskeln werden nach dem Prinzip der kleinsten Aktion angepasst, sodass die zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts erforderliche Gesamtenergie minimiert wird.

Abbildung 11 Muskelkoordinationsbewegungen im Yoga-Training

2. Effektive Strategien für das Sporttraining

Auch im Sporttraining nutzen Trainer das Prinzip der minimalen Maßnahmen, um den Trainingseffekt der Sportler zu verbessern. Mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras, Bewegungssensoren und anderen Geräten analysiert der Trainer die Laufhaltung des Sportlers (Abbildung 12), identifiziert mögliche Energieverschwendungspunkte und nimmt gezielte Anpassungen am Training vor, um die Bewegungen des Sportlers koordinierter und energieeffizienter zu gestalten.

Abbildung 12 Motion-Capture-System

Schwingt ein Sportler beispielsweise beim Laufen zu stark die Arme, verstärkt sich die Auf- und Abbewegung des Körpers, was zu einem erhöhten Energieverbrauch führt. Der Trainer nimmt gezielte Anpassungen im Training vor, um die Bewegungen der Sportler koordinierter und energieeffizienter zu gestalten.

IV. Fazit: Minimale Maßnahmen – Die Weisheit der Natur

Das Prinzip der kleinsten Wirkung ist ein ebenso tiefgründiges wie interessantes Prinzip. Es nimmt in der Natur, einschließlich sozialer Phänomene, eine zentrale Stellung ein. Haben Sie durch diese wunderbare Erkundung ein tieferes Verständnis für die magische Wirkung des Prinzips der kleinsten Wirkung in der Biomechanik erlangt? Dieses Prinzip zieht sich wie ein unsichtbarer Faden durch unsere täglichen Aktivitäten, die einzigartigen Überlebensfähigkeiten der Tiere, die ausgeklügelte Gestaltung unserer Körperstruktur und seine Anwendung in der Rehabilitation und im Sporttraining. Auf diese Weise ist die Natur auf clevere Weise „faul“ und ermöglicht allen Dingen, in dieser herausfordernden Welt auf die energieeffizienteste und effizienteste Weise zu überleben und sich zu entwickeln.

Ich hoffe, dass Sie sich in Zukunft, wenn Sie sich selbst oder andere Lebewesen in Aktion sehen, an dieses magische Prinzip der geringsten Aktion erinnern und den magischen Charme der Natur spüren können. Darüber hinaus werden wir mit der Weiterentwicklung der Wissenschaft vielleicht in der Lage sein, weitere Geheimnisse zu entdecken, die in diesem Prinzip verborgen sind, und so noch mehr Überraschungen für die menschliche Gesundheit und Entwicklung mit sich bringen!