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 Ein paar Grundkenntnisse zur Mechanik

Kenntnisse der Mechanik können bei der Rekonstruktion der Lebensweise fossiler Tiere hilfreich sein

Auf diese Seite stelle ich einige physikalische Zusammenhänge, insbesondere der Mechanik, die für interessierte Paläontologen oder Biologen bei der Rekonstruktion der unbekannten Lebensweise ausgestorbener Tiere hilfreich sein könnten, zumindest möchte ich ihnen einen bescheidenen Einstieg ermöglichen. Die für eine zuverlässige Rekonstruktion benötigten physikalischen Zusammenhänge sind überwiegend ziemlich einfach, weit entfernt von aller Hexerei. Die Natur bedient sich offenbar am liebsten einfacher Gesetze, anders geht es vermutlich gar nicht, denn die Evolution braucht bei der natürlichen Selektion stets eine Antwort auf Modifikationen und muss unmittelbar über vorteilhafte oder schädliche Modifikationen entscheiden können. Die komplizierteren Zusammenhänge macht sich erst der forschende Mensch zugänglich. Die Kenntnis der hier aufgezeigten Zusammenhänge kann oder könnte zumindest dazu beitragen, das bisher übliche Spekulieren und Fabulieren zu beenden, es wäre zumindest sehr zu hoffen. Wenn man Biomechanik betreiben will, sollte man wenigstens ein bischen von Mechanik verstehen.                                                         

 Das Ziel muss immer sein die Natur zu verstehen, und nicht sich die Natur zurechtzubiegen; sie macht da nicht mit.

             Kräfte und Momente  

Kräfte und Momente spielen in der angewandten Mechanik und in gleicher Weise in der Natur eine sehr wichtige Rolle. Ihre Auswirkungen finden Niederschlag in der Ausbildung von Hartteilen, und diese wiederum bilden dann die Basis für die Beurteilung von Wirbeltieren, insbesondere von Landbewohnern, hinsichtlich ihrer Funktionen und Lebensweise und liefert eindeutige Kriterien. Das Wissen, wo welche Kräfte und Momente wirken oder eben auch nicht, macht die Beurteilung eines Skeletts hinsichtlich seiner Funktion viel leichter möglich. So ist es jedem von uns geläufig und selbstverständlich, dass unsere Beine, die das ganze Körpergewicht zu tragen haben, kräftiger dimensioniert sein müssen als die Arme, die andere Funktionen erfüllen können. Im Umkehrschluss lässt sich aus der Dimensionierung von Tierknochen auf deren Hauptaufgabe schließen. So kann man etwa fragen, welche Funktion die verkümmerten Arme des Tyrannosaurus rex noch gehabt haben könnten.

               a. Kräfte                                                    

Die Mechanik arbeitet schon seit der Zeit des Archimedes (ca. 285 - 212 AD) mit Kräften. Kräfte üben auf alle in der Natur vorhandenen Körper eine Wirkung aus, auf unbelebte ebenso wie auch auf belebte. Eine Kraft besitzt eine Größe und eine Richtung, die sich graphisch durch die Pfeillänge und -richtung darstellen lässt. Sie wirkt auf jedem Punkt ihrer Wirkungslinie in gleicher Weise (Abb.1a.), d.h. in einem belasteten Knochen oder Muskel ist die Größe dieser Kraft an jeder Stelle gleich. Deshalb dürfen Kräfte auf ihrer Wirkungslinie beliebig verschoben werden.

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Abb. 1. Unterschiedliche Kräfte, Resultierende und Kräftegleichgewicht

Eine Kraft besitzt eine Größe (Pfeillänge) und eine Richtung. Sie wirkt auf ihrer Wirkungslinie, auf der sie beliebig verschoben werden kann.

a. Man unterscheidet Druckkräfte, die axial wirken (grün) und Zugkräfte (blau),

b. Druckkräfte können nur über feste Körper wie etwa Knochen übertragen werden, andererseits können Muskeln und Sehnen nur Zugkräfte übertragen, die den einzelnen Fasern folgen müssen, sogenannte Seilkräfte. Ein Seil lässt sich in seiner Längserstreckung nicht zusammendrücken, oder etwa doch?   -  Denken !!

Kräfte verschiedener Größe und Richtung können zu einer Resultierenden zusammengefasst werden (c). Eine der Resultierenden entgegengesetzt wirkende Kraft gleicher Größe schließt das Kräftedreieck und stellt damit einen Gleichgewichtszustand her (d). In einem Gleichgewichtszustand ist das Kräftedreieck stets geschlossen, d.h. wenn zwei wirkende Kräfte nach Größe und Richtung bekannt sind, muss die das Gleichgewicht sichernde unbekannte Kraft das Dreieck schließen und lässt sich so ermitteln. Im  Gleichgewichtsfall laufen die Pfeile einander nach.           

Knochen übertragen vorrangig Druckkräfte, es können aber auch in untergeordnetem Maße andere Kräfte wie etwa Biegekräfte übertragen werden. Knochen, in denen große Kräfte wirken, sind stets geradlinig ausgebildet. Hierbei handelt es sich in erster Linie um Beinknochen. Ihre Stellung gibt jeweils die augenblicklich wirkende Kraftrichtung vor. Andererseits können in gebogenen Knochen wie z.B. Rippen nur geringe Kräfte wirksam sein, sie dienen mehr dem Zusammenhalt und Schutz und übertragen eher Zugkräfte wie etwa eine Ballonhülle.

In der Mechanik wird vornehmlich mit Gleichgewichtszuständen gearbeitet. Wenn ein beliebiges System sich in Ruhe befindet, ist es im Gleichgewicht, denn es ist offensichtlich keine Äußere Kraft mehr vorhanden, die an dem Ruhezustand etwas ändert.

Dies gilt auch für gleichförmige Bewegungen, bei denen antreibende und verzögernde Kräfte gerade im Gleichgewicht sind. Innere Kräfte können trotzdem noch vorhanden sein, die zwar Spannungen im Körper bewirken, jedoch den Gleichgewichtszustand der äußeren Kräfte nicht verändern. So lässt z.B. ein Oberschenkelknochen entsprechend seiner normalen Funktion auch äußerlich erkennen, dass er primär durch Kräfte belastet ist, die in seiner Längsachse wirken, also vorrangig Druckkräfte.

Der Ausdruck Kraft/Querschnittsfläche wird als Druck- bzw. Zugspannung bezeichnet.

Die maximal zulässige Spannung wird durch Versuch empirisch ermittelt.

Die Querschnittsfläche ist immer um einen gewissen Sicherheitsfaktor größer dimensioniert als es die größte zu erwartende Last erfordert, um eine kritische Bruchspannung sicher vermeiden zu können. Allerdings darf dieser Faktor auch nicht zu groß sein, sonst wird die Leistungsfähigkeit des Gesamtorganismus durch große Masse zu sehr eingeschränkt.                                                   

Jedes Risiko ist eben nie abdeckbar. Die Natur weiß das, die heutige Jugend anscheinend häufig nicht mehr. Auch hier gilt wohl: gegen Dummheit kämpfen Götter selbst vergebens.

 

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Abb. 2 Oberschenkelknochen, der optimal für die Übertragung von Druckkräften dimensioniert ist

Im Bereich der Gelenke wird die Querschnittsfläche erheblich vergrößert auf F2, um die wirkende Kraft möglichst gleichmäßig auf die Gelenkkugeln übertragen zu können. Jeder Knochen lässt so seine Hauptbeanspruchung schon äußerlich erkennen. Es können allerdings weitere Belastungen wie Biegung oder Torsion vorkommen, im Falle des Beispiels in Abb. 2 aber nur ganz untergeordnet. Auch ist nicht jeder Knochen stets belastet, er kann auch wie eine Gehirnschale eine reine Schutzfunktion ausüben. Belastet sind vornehmlich die Teile des Bewegungssystems.

Wie erwähnt, können Muskeln und Sehnen nur Zugkräfte übertragen. Aus ihrer Anordnung kann daher leicht die Hauptbeanspruchung abgeleitet werden.

                            b. Momente                                                                      

Ein Moment ist in der Mechanik nicht ein Augenblick, sondern das Moment setzt sich aus einer Kraft und ihrem kürzesten Abstand zu einem festen Bezugspunkt zusammen. Ein Moment übt eine drehende Wirkung aus. Der Bezugspunkt ist derjenige, um den diese Kraft eine Drehung verursachen könnte. Das Produkt Kraft x Hebelarm bildet das Moment. Die Richtung eines Moments kann man frei wählen, z.B. positiv im Uhrzeigersinn, sie gilt dann für alle Momente eines Systems.

Die Hebelgesetze wurden schon vor ca. 2000 Jahren von Archimedes gefunden, und er hat sie in seinen Konstruktionen wirksam angewandt.

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Abb. 3. An einem eingespannten Balken angreifende Kraft, die ein Moment bewirkt, das an der Einspannstelle sein Maximum erreicht.  

                     M = K x a          (Kraft mal Hebelarm)

Die Größe eines (hier Biege-) Moments hängt  vom Abstand der wirkenden Kraft von ihrem Bezugspunkt ab. Daher ergibt sich eine lineare Zunahme mit wachsendem Abstand. Um ein Biegemoment optimal aufnehmen zu können, müsste ein Knochen,   z.B. der Dornfortsatz eines Wirbels im Schulterbereich, einen +/- dreieckigen Querschnitt aufweisen. Tatsächlich sind solche Knochen selten, wenn nicht gar ganz unbekannt. Die Dornfortsätze der Wirbelsäule lassen eine solche Belastung eher unwahrscheinlich erscheinen, im Gegensatz zu früher propagierten Vorstellungen.    

Ein interessantes Beispiel für wirkende Biegebelastung liefert die auffällige Wirbelsäule von Ctenosauriscus koeneni (siehe Seite Chirotherium). Hier weisen die langen Dornfortsätze einen bemerkenswerten rechteckigen Querschnitt auf. Während ein solcher Knochen quer zur Längsebene etwa wie ein Lineal relativ leicht zu biegen wäre (durch die in Abb. 4 gestrichelte Kraft), setzt er einer Formänderung in der Symmetrieebene einen großen Widerstand entgegen. Diese Knochenausbildung hat sich offenbar adaptiv so entwickelt, dass sie die hohen Kräfte beim fakultativ zweibeinigen Gang an Land aufnehmen konnte. In dieser konsequenten Ausbildung ist mir bisher keine weitere Form bekannt, abgesehen vielleicht von einigen Huftieren aus der Eiszeit, die im Schulterbereich eine sehr starke Verlängerung der Dornfortsätze erkennen lassen.                                                                                      

Außerhalb der Symmetrieebene auftretende Kräfte sind allerdings bei diesem Tier kaum zu erwarten, höchstens wenn es sich an einem Baum scheuert. Da der Abstand der einzelnen Dornfortsätze voneinander bei dieser Wirbelsäule gering ist, wird während eines Schritts nicht nur jeweils ein einziger Knochen belastet, sondern ein Bereich benachbarter Fortsätze, so dass die Belastung wie bei einer steifen Scheibe wirkt.

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Abb. 4. Unterschiedliche Verformbarkeit eines Knochens mit rechteckigem Querschnitt in der Längsebene und quer dazu. Einer Verformung in der Symmetrie-Ebene setzt er großen Widerstand entgegen. Die Ausbildung des Knochens lässt somit erkennen, welche Belastungen während eines Schritts auftraten und wie sie adaptiv aufgefangen wurden.

 

 

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Auch bei Momenten werden Gleichgewichtsbetrachtungen angestellt.:

balance3Beispiel : ein zum Teil mit Wasser gefülltes Reagenzglas steht auf dem Boden eines Behälters in geneigter Position. Die Momente von Gewicht und Auftrieb halten sich gerade die Waage.

 Im ruhenden Gleichgewicht gilt, bei rechtsdrehendem Moment positiv

                      G * b -  A * a   =  0

G lässt sich durch Wägung ermitteln. A entspricht in Süßwasser dem Volumen. Der Auftriebsmittelpunkt entspricht dem Volumenmittelpunkt des Gefäßes. Der Schwerpunktsabstand lässt als einzige noch Unbekannte also errechnen:

                           b  = A * a /  G

Das System ist im stabilen Gleichgewicht, da im Falle einer Störung durch Auslenkung aus der Ruheposition der Abstand a sich stärker ändert als b. Das aufrichtende Moment des Auftriebs überwiegt dann und stellt das Gleichgewicht wieder her.

      Das gute alte Hebelgesetz des Archimedes !

Momente können nur über feste Verbindungen übertragen werden, nicht jedoch über Gelenke. Wenn ein Gelenk vorhanden ist, muss eine auftretende Kraft exakt durch dieses Gelenk verlaufen, es sei denn, die Muskulatur ist stark genug, die Belastung trotz des Ge- lenks aufzunehmen. Sonst ist kein Gleichgewicht zu erzielen

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Abb. 5. Kraftwirkung auf Wirkungslinien sowie die Übertragbarkeit von Kräften bei Vorhandensein von Gelenken

Abb. 5a zeigt, dass sich die Zugkraft Z sehr einfach ermitteln lässt. Da das System mit dem an einem Haken aufgehängten Gewicht sich im Gleichgewicht in Ruhe befindet, ist die Seilkraft gleich dem Gewicht. Die in dem Haken selbst wirkenden Kräfte und Momente sind viel schwieriger zu bestimmen. Sie sind aber nur von Interesse für den Konstrukteur, der den Haken für eine gegebene Last dimensionieren muss. Gewicht und Zugkraft müssen im Gleichgewichtsfall auf der gleichen Linie wirken. Wird wie in Abb. 5b ein Gelenk an der Stelle X in den Haken eingefügt, richten sich die einzelnen Teile so aus, dass die Wirkungslinie genau durch das Gelenk verläuft. Anders verhält es sich mit dem Ellbogengelenk. Im dargestellten Fall ist sozusagen der Unterarm am Oberarm drehbar aufgehängt. Die gesamte auf den Unterarm einwirkende Last muss von der Muskulatur kompensiert werden. Das kann nur so lange gelingen wie diese die Last aushalten kann. Da der Abstand der Muskulatur vom Bezugspunkt des Moments, dem Ellbogengelenk, erheblich geringer als derjenige der Last, ist die Zugkraft um den Faktor b/a größer als die Last selbst. Bei Überschreitung der zulässigen Belastung muss sich der Unterarm strecken und mit dem Oberarm eine gerade Linie bilden. Dann muss die Kraft genau durch das Gelenk verlaufen. Aus Erfahrung weiß man, ein Baby kann man leicht auf dem gebeugten Unterarm tragen, ein Fässchen Bier trägt man besser mit gestreckten Armen.

Um Kräfte trotz der Gelenke in den Extremitäten auch bei gerader Ausrichtung in eindeutiger Weise sicher übertragen zu können, enthalten diese Gelenke Sesamknochen wie etwa die Kniescheibe, die die Auslenkung in eine Richtung blockieren und damit nur eine bestimmte Auslenkung zulassen. Druckkräfte können dann nicht zum Einknicken führen.

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Abb. 6. Bei Gleichgewichtsbetrachtungen werden immer äußere Kräfte ins Gleichgewicht gebracht. Wie die Abbildung zeigt, liegen bei einem an einem Haken aufgehängten Gewicht die nach unten ziehende Gewichtskraft und die nach oben entgegenwirkende Zugkraft auf einer gemeinsamen Wirkungslinie. Die Kraft wirkt scheinbar durch die Luft. In Wirklichkeit verläuft die Kraft natürlich durch den Haken. Es ist eine innere Kraft.

Während die Äußeren Kräfte normalerweise relativ einfach zu ermitteln sind, ist dies bei den inneren Kräften erheblich schwieriger. Man geht dabei so vor, dass man zur Bestimmung der Kräfte an einer bestimmten Stelle sich den Körper hier durchgeschnitten vorstellt und sich nun überlegt, welche Kräfte und Momente an dieser Stelle anzubringen sind, um den Gleichgewichtszustand zu wahren. Man macht damit die Inneren Kräfte zu Äußeren. Es ist leicht verständlich, dass diese Aufgabe nicht so ganz einfach ist. Deshalb liegt der große Vorteil von Gleichgewichtsbetrachtungen gerade darin, dass man normalerweise auf die Ermittlung der Inneren Kräfte verzichten kann.                                

In analoger Weise braucht man auch bei einem Wirbeltier im Einzelnen gar nicht so genau zu wissen, wie die Kräfte durch den Körper verlaufen, und kann doch durch eine Gleichgewichtsbetrachtung der Äußeren Kräfte, also Gewicht und Trägheitskräfte, die im Gleichgewichtsfall wirkenden Kräfte zuverlässig bestimmen.

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Abb. 7. Das bekannte Elchskelett aus dem Stuttgarter Naturkundemuseum. Sehr gut erkennbar sind die Ausrichtung der langen Dornfortsätze im Schulterbereich und die Dreiecksform des Schulterblatts, das die Kräfte in jedem Augenblick der Fortbewegung zum Schultergelenk überträgt.

Das Schulterblatt vieler rezenter Huftiere zeigt eine Dreiecksform, die aber nichts mit der Übertragung von Biegemomenten zu tun hat, wie womöglich nach den Ausführungen zu Abb. 3 irrtümlich gefolgert werden könnte. Die Dreiecksform hängt mit der Übertragung der Gewichtskräfte über die Dornfortsätze zum Boden zusammen. Sehr gut ist zu erkennen, dass das Schulterblatt den in Abb. 7 rot gekennzeichneten Bereich von Dornfortsätzen abdeckt, in dem während des Laufens und Springens die größten Kräfte auftreten. Sie werden genau zum Schultergelenk weitergeleitet.

Entgegen früheren Vorstellungen zur Belastung der Wirbelsäule (Bogensehnen-Analogie u. dergl.) treten Biegekräfte nur in sehr untergeordnetem Ausmaß auf, wenn überhaupt. Vielmehr sind die Dornfortsätze gerade im Schulterbereich so ausgerichtet, dass sie sehr genau nur axial wirkende Kräfte aufnehmen müssen. Diese Kräfte setzen sich aus Gewicht und Trägheitskraft zusammen und besitzen deshalb während der Fortbewegung erhebliche horizontale Komponenten, die beim Auftreten auf den Boden zur Wirkung kommen

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Abb. 8. Der pleistozäne Bison antiquus mit extrem verlängerten Dornfortsätzen. Auch hier zeigt das Schulterblatt die dreieckige Form, die sehr gut mit der Ausrichtung der Dornfortsätze zum Schultergelenk hin übereinstimmt. In den Muskeln und Sehnen, an denen der Körper aufgehängt ist, herrschen Zugkräfte (blau). das Gewicht (gelb) wird über Dornfortsatz, Schultergelenk und Bein auf den Boden übertragen. Zugkräfte und Druckkraft stehen im Gleichgewicht. Bei kürzeren Dornfortsätzen müssten die Zugkräfte entsprechend zunehmen (rot).

Ein extremes und deshalb sehr anschauliches Beispiel verlängerter Dornfortsätze bietet der Bison aus dem Quartär von Nordamerika. Hier kommen mehrere Bedingungen zusammen, die besonders lange Dornfortsätze erfordern, nämlich gefrorener Boden, der bei Belastung nicht nachgibt, große Gesamtmasse des Tiers sowie hohe Beweglichkeit. Hier zeigt sich eine konsequente Verlängerung der Dornfortsätze und deren Ausrichtung gerade in dem Bereich, der durch das Schulterblatt abgedeckt wird. Sicher werden über die Dornfortsätze große Druckkräfte über das Schultergelenk und dann zum Boden übertragen. Offensichtlich wurde die mechanische Funktion der Knochenanordnung des Schulterbereichs bisher von Biologen nicht erkannt.

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Abb. 9. Rekonstruktion von Archaeomeryx mit  (etwas) falscher Ausrichtung des Schulterblatts (nach Colbert 1941), die aber auch hier mangelndes Wissen um die mechanische Funktion erkennen lässt.

n vielen Fällen wird das Schulterblatt nur intuitiv auf die Rippen geklatscht, und allein schon aus diesem Fehler ergeben sich dann falsche und irreführende Rekonstruktionen des Gesamtskeletts. Abb. 9 vermittelt einen falschen Eindruck. Das Tier stand wahrscheinlich höher auf den Vorderbeinen, und die Wirbelsäule war im Stand wohl weniger gekrümmt. Wenn aber schon bei Huftieren, die mit den heutigen eng verwandt sind, große Fehler bei der Rekonstruktion auftreten, wie muss es erst dann mit der Zuverlässigkeit bei der Rekonstruktion früherer ausgestorbener Wirbeltiere aussehen!         

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Abb. 10. Analogie zwischen dem Schulterbereich eines rezenten Huftiers und einem Auslegerkran. Die Größe der auftretenden Zug- und Druckkräfte bei gegebener Belastung ist von dem Winkel abhängig, unter dem die Seile bzw. die Sehnen und Muskelfasern an dem Kranaufsatz bzw. den Dornfortsätzen aufgehängt sind.

Die Dornfortsätze lassen sich mit dem Pfeiler eines Auslegerkrans vergleichen (Abb. 10). Die Kräfte in den Seilen bzw. in der Rückenmuskulatur sind abhängig von dem Winkel, unter dem diese aufgehängt sind. An diesen Seilen ist das gesamte Gewicht des Rumpfes im Schulterbereich aufgehängt, wird in Zugkomponenten zerlegt und muss über Dornfortsätze durch das Schultergelenk zum Boden übertragen werden. Die Zunahme des Winkels bzw. der Dornfortsatzlänge bewirkt eine Abnahme der Seilkräfte, umgekehrt ergeben zu kurze Dornfortsätze hohe Kräfte. Diese Zusammenhänge sind aus der Geometrie ersichtlich. So lässt sich über die Länge der Dornfortsätze die Beanspruchung der Rückenmuskulatur beeinflussen. Aus diesem Grunde ist die Länge der Dornfortsätze sicher aus mechanischen Gründen adaptiv angestrebt und erreicht worden und entspricht genau den Anforderungen. Jeder einzele Dornfortsatz im Schulterbereich bildet während der Fortbewegung kurzzeitig sozusagen den Aufsatz des Auslegerkrans. Da nicht nur Gewichtskräfte während der Fortbewegung vorhanden sind, sondern auch Trägheitskräfte, besteht die resultierende Kraft im jeweils belasteten Teil der Wirbelsäule nicht nur aus vertikalen Komponenten, sondern weist unterschiedliche Richtungen auf.

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Abb. 11. Anordnung der Vorderbeinknochen analog der Federschwinge eines Motorrads

Aus Gründen des “Komforts” werden die Beinknochen nicht auf einer geraden Linie angeordnet, obwohl die zum Boden gerichtete Resultierende aus Gewichts- und Trägheitskraft über das Gelenk der Schulter direkt zum Auflagerpunkt des Fußes gerichtet ist, auf ihrer Wirkungslinie quasi durch die Luft. Um die Kräfte beim Auftreten auf dem Boden in akzeptablen Grenzen zu halten, wird der Schritt abgefedert. Hier zeigt sich eine schöne Analogie zu der Vordergabel eines Motorrads, bei dem ebenfalls aus Gründen des Komforts eine Federung, aus einem Dämpfer und einer Feder bestehend, eingebaut ist. Gegenüber der ungefederten Vorderradgabel eines Fahrrads sind hier auf die Hände einwirkende Erschütterungen auf ein Minimum reduziert.

Wir Menschen müssen diese Federung herstellen, indem wir mit den Zehen zuerst auftreten. Wer schon einmal im Dunkeln eine Treppe hinuntergegangen ist, unten irrtümlich noch eine weitere Stufe erwartete und sich dabei fast die Zunge abgebissen hätte, weiß wie wichtig diese Abfederung ist.

Die Notwendigkeit der Abfederung wird mit zunehmender Fähigkeit zum Laufen und Springen größer. Dieser Trend ist bei den Säugetieren sehr gut zu verfolgen. Besonders gut zeigen es die Skelette der Huftiere, die als Grasfresser große Strecken zurücklegen  können müssen und den jagenden Raubtieren entkommen wollen. Demgegenüber ist bei Dinosauriern nicht die geringste Anpassung an schnelle Fortbewegung zu erkennen. Offenbar spielte Geschwindigkeit bei ihnen noch keine große Rolle. Hohe Beweglichkeit zeigt sich entwicklungsgeschichtlich erst bei den rezenten Säugetieren, insbesondere bei großen Huftieren. Der Winkelbereich der Dornfortsätze, der durch das Schulterblatt abgedeckt wird, ist anscheinend ein Maß für die größte Schrittweite.

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Abb. 12. Schrägseilbrücke mit mehreren Pfeilern als anschauliches Analogon zur Muskelaufhängung an den Dornfortsätzen. Große Seilwinkel halten die auftretenden Zugkräfte in den Seilen gering.                   

An den Seilen ist die Fahrbahn aufgehängt, die Kräfte werden über die Pfeiler zum Boden übertragen. In analoger Weise ist die Wirbelsäule und  damit der ganze Rumpf vierfüßiger Tiere an den Dornfortsätzen aufgehängt, die Kräfte werdenüber Schultergelenk und Becken auf die Beine und dann zum Boden übertragen.

 

 

c. Anwendung der Mechanik auf Tiere bzw. die Ermittlung der Lebensweise

Durch Anwendung der Mechanik lassen sich zuverlässige Aussagen über die Hauptbelastung eines Skeletts und damit darüber gewinnen, ob ein Tier vorwiegend im Wasser oder an Land lebte oder ob es gut laufen oder springen konnte oder eher einen schwerfälligen Gang hatte. Aussagen lassen sich aus der Ausbildung der Wirbelsäule gewinnen:

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Abb. 13. Skelett eines meeresbewohnenden Ichthyosauriers. Die rudimentären hinteren Flossen weisen auf eine Anpassung an tiefes Wasser hin.

Die Wirbelsäule des Ichtyosauriers in Abb. 13 zeigt die typische Ausbildung eines wasserlebenden Wirbeltieres. Die Dornfortsätze der Rückenwirbel sind im wesentlichen gleich lang. An ihnen ist die Muskulatur befestigt, die während der Fortbewegung die alternierende seitliche Verbiegung des Rumpfes gestattet. Vertikale Kräfte muss dieses Skelett nicht aufnehmen. Alle wasserlebenden Wirbeltiere weisen diese Form der Wirbelfortsätze auf.

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Abb. 14. Skelett des Pelycosauriers Casea sp., einer Ahnform des Pflanzenfressers Edaphosaurus und des Fleischfressers Dimetrodon.

Die Wirbelsäule des Pelycosauriers Casea aus dem Perm besitzt die gleichen Merkmale, nämlich eine gleichbleibende Länge der Dornfortsätze, die noch relativ kurz bleiben. Das Tier hat aber Vorder- und Hinterextremitäten, die das Gehen auf dem Boden ermöglichen. Trotzdem ist dieses Tier noch nicht an das Leben an Land angepasst. Auch diese Wirbelsäule kann noch keine erheblichen vertikale (Gewichts)-Kräfte zum Boden übertragen. Deshalb dürfte dieses Tier noch vorwiegend amphibisch in flachem Wasser gelebt und sich von Wasserpflanzen ernährt haben. 

Die Situation ändert sich grundlegend mit dem Erscheinen von Pelycosauriern wie Edaphosaurus (Pflanzenfresser) und dem fleischfressenden Dimetrodon (Abb. 15), dessen Kopf nun erheblich vergrößert ist gegenüber den Ahnen. Diese neuen Formen sind nun tatsächlich an deas Leben an Land angepasst. Die Dornfortsätze der Rückenwirbel sind ganz enorm verlängert in einer Art und Weise, wie sie bei später lebenden Wirbeltieren in dieser Form nicht wieder vorkommt. Spätere Formen haben andere Lösungen gefunden, die sich aus dem Körperbau ihrer Vorfahren anboten.

Hierzu siehe auch Seite “Dinosaurier

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Abb. 15. Skelett des Pelycosauriers Dimetrodon mit enorm verlängerten Rückenwirbeldornfortsätzen.

Diese Wirbelsäule muss nun Gewichtskräfte über Beine und Füße zum Boden Übertragen. Da die Beine ungewöhnlich kurz sind, muss unbedingt die Durchbiegung des Rumpfes vermieden werden. Erschwerend kommt hinzu, dass diese Formen noch einen schlängelnden Gang wie etwa Krokodile besaßen. Deshalb war eine “Konstruktion” erforderlich, die diesen Bedingungen Rechnung trug. Es war eine Rücken-“scheibe”, die sozusagen mit Scharnieren versehen war und so den schlängelnden Gang ermöglichte.

 

Wird gelegentlich fortgesetztnavoben