Belangrijke eigenschappen van de loopcyclus zijn:

• De stapfrequentie: het aantal stappen per tijdseenheid.
• De staplengte: de afstand die tijdens elke stap wordt afgelegd.
• De stapbreedte: de afstand tussen de plaats waar de linker- en de plaats waar de rechtervoet wordt neergezet, loodrecht op de bewegingsrichting gemeten.

Biofysici vergelijken lopen met een dubbele slingerbeweging. Je benen hebben, net als een echte slinger, een natuurlijke frequentie. Hoe langer de slinger des te kleiner zijn natuurlijke frequentie. Het kost weinig energie om een slinger met een flinke uitwijking te laten bewegen, als je de natuurlijke frequentie aanhoudt. Als je de slinger (met dezelfde uitwijking) met een grotere of kleinere frequentie wilt laten bewegen, is er meer energie nodig. Als het frequentieverschil niet al te groot is dan valt de hoeveelheid benodigde energie mee.

De natuurlijke frequentie van een lang been is kleiner dan die van een kort been.

Terwijl je loopt wordt kinetische energie omgezet in zwaarte-energie. Als het zwaartepunt het hoogste punt voorbij is gegaan, gebeurt het omgekeerde. Als de benen vrij heen en weer kunnen bewegen, is hier geen energie voor nodig.

Voor de richtingsverandering van het zwaartepunt van omlaag naar omhoog is wel energie nodig. Het lichaam maakt onder andere gebruik van veerenergie en chemische energie (om de spieren te laten samentrekken).

Hoe groter de staplengte, des te sneller en steiler beweegt het zwaartepunt aan het einde van een stap naar beneden. De energie die nodig is neemt toe. Wanneer je kleine stapjes loopt, is de richtingsverandering van het zwaartepunt minimaal. Mensen lopen niet met kleine stapjes door de stapfrequentie. Om een optimale staplengte en stapfrequentie te krijgen moet je lichaam een afweging maken, niet te grote stappen want dan er is te veel energie nodig om het zwaartepunt te veranderen en niet te kleine stappen want dan kost het veel energie om de frequentie van de benen op te voeren.

Biofysici die zich bezig houden met de manier waarop mensen en dieren bewegen, maken gebruik van het getal van Froude. In een formule wordt dit geschreven als:

Fr = v² / g . l

      [m/s] / [m/s²] . [m]

Paragraaf 3 Evenwicht: het zesde zintuig:

Een voorwerp is in evenwicht als het zwaartepunt zich boven het steunvlak bevindt. Hoe stabiel dit is, hangt af van 3 factoren:

• De afmetingen van het steunvlak.
• De plaats van het zwaartepunt.
• De zwaartekracht op het voorwerp

Een zwaar voorwerp met een groot steunvlak en een laag gelegen zwaartepunt is erg stabiel. Er is veel energie nodig om het uit evenwicht te brengen.

Tijdens het lopen is je lichaam steeds aan het vallen, omdat het zwaartepunt zich niet recht boven het steunvlak bevindt. Het evenwichtsorgaan helpt om dit te corrigeren.

Het bestaat uit twee helften. Beide hebben dezelfde opbouw met drie halfcirkelvormige kanalen en twee statolietorganen: de utriculus en de sacculus. De kanalen detecteren of het hoofd een rotatie uitvoert. De statolietorganen nemen lineaire versnellingen waar.

In het evenwichtsorgaan zitten haarcellen die uiterste kleine verplaatsingen kunnen waarnemen.

De haarbundels zitten in een laag gel. In deze laag zitten statolieten met een grote dichtheid.  Als de stand van het hoofd verandert, verandert de richting van de zwaartekracht ten opzichte van het hoofd. De statolieten worden in de nieuwe richting getrokken en nemen de bovenste laag gel mee. Hierdoor buigen de haarbundels om en zo wordt er een elektrisch signaal naar de hersenen gestuurd.

Als het hoofd versnelt beweegt, blijven de statolieten achter door hun relatief grote traagheid. De laag gel vervormt hierdoor en de haarbundels bewegen mee. Het resultaat is weer een elektrisch signaal naar de hersenen.

Biofysici kunnen onderzoeken hoe een haarcel reageert op bewegingen van de haarbundel. Zolang de haarbundel niet buigt, is het potentiaalverschil over het celmembraan -60mV. Als de haarbundel in richting A wordt geduwd, daalt het potentiaalverschil tot -45mV, dan depolariseert de haarcel. Als je in richting B duwt, stijgt het potentiaalverschil tot -65mV, dan hyperpolariseert de haarcel. Als je in loodrechte richting duwt, verandert er niets. Verplaatsingen in de polarisatierichting worden waargenomen, verplaatsingen loodrecht daarop worden genegeerd, hieruit blijkt dat haarcellen sterk richtingsgevoelig zijn. De haarcellen geven voortdurend een frequentie af naar de hersenen, die kunnen daaruit afleiden of er een beweging plaatsvindt.

Paragraaf 4 Moleculaire motoren:

Motoren gebruiken chemische of elektrische energie om een beweging in gang te zetten en te houden. Biofysici hebben technieken ontwikkeld om de prestaties van deze extreem kleine motoren te bepalen.

1. colibacteriën spelen een belangrijke rol bij het verteren van het voedsel in je darmen. Biofysici doen onderzoek over E. colibacteriën over de manier waarop het micro-organismen zich voortbeweegt.
2. colibacteriën kunnen zich op eigen kracht verplaatsen door de vloeistof waar ze in leven. De bacterie wordt voortgestuwd door zweepstaarten van 5-10 µm die op verschillende plaatsen in de cel steken.

De spiraalvormige zweepstaarten werken als een soort scheepsschroef: door te draaien genereren ze de stuwkracht die voor de beweging nodig is.

De zweepstaarten draaien afwisselend:

• Met de wijzers van de klok mee à dan ontwart de bundel en gaan de zweepstaarten alle kanten op staan. De bacterie draait dan in een cirkel rond. Dit wordt ‘tuimelen’
• Tegen de wijzers van de klok in à dan vormen ze een bundel die de bacterie in een richting voortstuwt. Dit wordt ‘zwemmen’

De zweepstaartmotor

Elke zweepstaart wordt aangedreven door een motor die verankerd is in de celwand van de bacterie. De motor is opgebouwd uit tientallen verschillende moleculen. De motor draait als gevolg van de wisselwerking tussen de (stilstaande) stator en de (draaiende) rotor.

De zweepstaartmotor heeft elektrische energie nodig. De bacterie zorgt daar zelf voor door positief geladen ionen uit de cel te pompen. Hierdoor ontstaat een elektrochemisch potentiaalverschil over het binnenmembraan. Onder invloed van dit potentiaalverschil stromen protonen (H+) de cel binnen. Bij het passeren van de stator brengen ze de rotor in beweging.

Biased random walking

Een bacterie kan maar enkele seconden rechtuit zwemmen. Dit komt doordat de bacterie omringd wordt door moleculen die steeds tegen hem aanbotsen. Soms komen er toevallig meerdere moleculen vanuit de ene richting dan vanuit de andere, de bacterie wordt dan uit zijn koers geslagen. De E. colibacterie beweegt via een grillig traject. De bacterie zwemt steeds 1 à 2 seconden min of meer rechtuit, en tuimelt daarna circa 0,1s lang. Na de tuimeling zwemt de bacterie weg in een nieuwe richting, die de bacterie niet zelf kan kiezen.

Toch zwemt de bacterie één bepaalde kant op. Dat komt doordat de bacterie de lengte van de zwemperiode afstemt op de kwaliteit van zijn omgeving. De bacterie beweegt dus als het ware geleidelijk in de richting waar de omstandigheden voor hem het beste zijn. Dit wordt de biased random walk genoemd. Bij een random walk wordt alles aan het toeval overgelaten. Bij een biased random walk krijgt één richting de voorkeursbehandeling.