Stegosaurs, a group of dinosaurs known for their large plates and spikes on the neck, trunk and tail, very likely used their tails as weapons. The forces involved and the damages resulting from successful swings can be assessed in different ways. Modern computer programs for Computer Aided Engineering (CAE) allow including inertia into calculations of motion, and can deliver velocities, torques and impact forces even for complex motions. The forces available depend on the musculature, which must be reconstructed based on comparison with animals living today. Here, a CAE program is used to calculate the impact forces a stegosaur could generate, using Computer Aided Design models based on a high-resolution scan of a well-preserved skeleton. Several models are used to test different soft tissue reconstructions. The modeling results indicate that stegosaur tails were dangerous weapons, capable of inflicting potentially deadly wounds.

Resumen en Español

Aptitudes defensivas de Kentrosaurus aethiopicus Hennig, 1915

Los estegosaurios no estaban adaptados a una locomoción rápida. En lugar de huir de sus depredadores, probablemente utilizaban sus colas provistas de púas como “thagomizers” para la defensa. La modelización cinético-dinámica mediante un programa de ingeniería asistido por ordenador (CAD) permite usar bien sea movimientos articulares predeterminados para calcular las fuerzas articulares o bien modelos de aporte de momento de fuerza para obtener datos sobre aceleraciones y momentos de inercia de las púas de la cola. Los modelos basados en el análisis mediante CAD de los movimientos de Kentrosaurus y los movimientos observados en reptiles actuales con colas largas muestran resultados congruentes con los de los modelos basados en valores de momentos de fuerza calculados a partir de la reconstrucción detallada por CAD de las secciones transversales de los músculos y los brazos de palanca. Ambos indican que la cola de Kentrosaurus era un arma peligrosa, capaz de infligir heridas y traumatismos severos, incluso en los grandes terópodos. Su movimiento rápido y continuo bastaría para que las espinas rasgaran la piel o penetraran en los tejidos blandos y fracturaran costillas o huesos faciales, mientras que usada como un látigo tendría energía suficiente para fracturar huesos largos y robustos.

PALABRAS CLAVE: biomecánica; modelización cinético-dinámica; estegosaurio

Traducción: Miguel Company

Résumé en Français

Capacités de défense de Kentrosaurus aethiopicus Hennig, 1915

Les stégosaures n'étaient pas adaptés à la locomotion rapide. Plutôt que de fuir face aux prédateurs, ils utilisaient probablement les épines de leurs queues comme "thagomizers" pour se défendre. La modélisation cinétique/dynamique grâce à un programme informatique d'ingénierie permet soit d'utiliser les mouvements définis des joints pour déterminer les forces de ces joints soit des modèles de moments de force qui délivrent les accélérations et les moments d'inertie des épines du bout de la queue. Les modèles définis de mouvement fondé sur une analyse CAD de la plage de mouvement de Kentrosaurus et sur les mouvements observés chez les reptiles actuels pourvus de longues queues donnent des résultats similaires à ceux des modèles utilisant les valeurs de moments de force calculées à partir de la reconstitution CAD détaillée des sections musculaires et des bras de levier. Ils indiquent tous deux que la queue de Kentrosaurus était une arme dangereuse, capable d'infliger des blessures coupantes douloureuses ainsi que des traumas pénétrant handicapants, même sur les grands théropodes et ce sur une large portion de sa plage de mouvement. Le mouvement continu rapide était au moins suffisant pour que les épines puissent couper la peau ou pénétrer les tissus mous et fracturer les côtes ou les os de la face, alors que les coups fouettés pouvaient être d'assez forte énergie pour fracturer les os longs robustes.

Mots-clefs: bioméchanique; modélisation cinétique/dynamique; stégosaure

Translator: Loïc Costeur

Deutsche Zusammenfassung

Möglichkeiten der Verteidigung bei Kentrosaurus aethiopicus Hennig, 1915

Stegosaurier haben einen für schnelle Lokomotion ungeeigneten Körperbau. Statt vor Räubern zu fliehen benutzen sie vermutlich ihre mit Stacheln besetzen Schwänze als Keulen, um sich zu verteidigen. Eine kinetisch/dynamische Modellierung in einem ingenieurwissenschaftlichen Computer Aided Engineering Programm erlaubt es, entweder bestimmte Bewegungen vorzuschreiben, um die Gelenkkräfte zu errechnen, oder Drehmomente in Modelle einzugeben, um Beschleunigungen und Trägheitsmomente der Schwanzstacheln zu bestimmen. Modelle mit vorgegebener Bewegung auf der Basis einer CAD-Analyse der Skelettmobilität von Kentrosaurus und von Bewegungsstudien an heutigen langschwänzigen Reptilien ergeben Resultate, mit denen von Modellen auf der Basis von Drehmomenten aus detaillierten CAD Rekonstruktionen der Muskelquerschnitte und Hebelarme kongruent sind. Beide Modelltypen lassen darauf schließen, dass der Schwanz von Kentrosaurus eine gefährliche Waffe war, die schmerzhafte Aufschlitzungen und lähmende Penetrationstraumata selbst bei großen Theropoden verursachen konnte, und dies über einen großen Teil des Bewegungsraumes. Gleichmäßige schnelle Schwanzschwünge waren wenigstens ausreichend, das Integument aufzuschlitzen, Weichgewebe zu durchdringen oder Rippen und Gesichtsschädelknochen zu brechen, während gezielte Peitschenschläge möglicherweise genug Energie hatten, auch stabile Langknochen zu brechen.

Schlüsselwörter: Biomechanik; kinetische/dynamische Modellierung; Stegosaurier

Translator: Author

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski Abstrakt

ZDOLNOŚCI OBRONNE GATUNKU KENTROSAURUS AETHIOPICUS HENNIG, 1915

Stegozaury nie były zbudowane do szybkiego poruszania się. Zamiast uciekać przed drapieżnikami najprawdopodobniej używały swoich najeżonych kolcami ogonów jako maczug służących do obrony. Modelowanie kinetyczno-dynamiczne przy użyciu oprogramowania komputerowego stosowanego w inżynierii pozwala na określenie sił działających w okolicach połączeń między elementami na podstawie wcześniej określonego zakresu ruchów stawów bądź określenie przyspieszenia i momentu bezwładności kolców z końca ogona przy użyciu modelu z użyciem momentu obrotowego. Znormatyzowane modele ruchu rodzaju Kentrosaurus opracowane analizą ruchu w oprogramowaniu CAD oraz zakres ruchów zaobserwowany u współcześnie żyjących gadów z długimi ogonami dają wyniki zgodne z otrzymanymi przez modele CAD wykorzystujące wartości momentu obrotowego oszacowane na podstawie dokładnych rekonstrukcji przekroju mięśni i wektorów sił. Obie analizy wskazują, że ogon rodzaju Kentrosaurus był śmiertelną bronią zdolną zadawać, w szerokim zakresie swojego ruchu, bolesne rany powodujące przeszywający ból nawet u dużych przedstawicieli Theropoda. Ciągły, nagły ruch ogona dawał kolcom na jego końcu co najmniej zdolność przebijania zewnętrznej pokrywy ciała i penetrowania tkanek miękkich oraz łamania żeber i kości czaszki. Natomiast ukierunkowane wymachy ogonem mogły generować wystarczająco dużo energii do łamania masywnych kości długich.

Słowa kluczowe: biomechanika, kinetyczno-dynamiczne modelowanie, stegozaur

Translators: Dawid Mazurek and Robert Bronowicz

Riassunto in Italiano

Capacità di difesa di Kentrosaurus aethiopicus Hennig, 1915

Gli stegosauri non erano strutturati per un tipo di locomozione rapido. Invece di fuggire dai predatori, essi probabilmente utilizzavano le loro code spinose per difendersi. Modellazioni cinetico/dinamiche mediante programmi CAE permettono di analizzare sia movimenti predefiniti delle giunture in modo da determinare le forze in gioco, sia modelli di torsione che forniscono valori di accelerazione e momento d’inerzia delle spine situate all’estremità della coda. Sia i modelli predefiniti basati su un range CAD dell’analisi dei movimenti di Kentrosaurus, che l’osservazione dei movimenti di rettili muniti di una lunga coda forniscono risultati coerenti con i modelli in cui sono stati usati valori di torsione calcolati sulla base di ricostruzioni CAD delle sezioni dei muscoli e del braccio del momento.

Entrambi indicano che la coda di Kentrosaurus era un’arma pericolosa, capace di infliggere dolorose ferite da taglio e profondi traumi anche a teropodi di grande taglia per gran parte del suo raggio di azione. Movimenti rapidi erano sufficienti affinchè le spine potessero lacerare i tegumenti, penetrare nei tessuti molli e fratturare costole o ossa facciali. E’ inoltre verosimile che precisi colpi a mo’ di frusta potessero avere energia tale da fratturare robuste ossa lunghe.

PAROLE CHIAVE: biomeccanica; modellazione cinetico/dinamica; stegosauro

Translator: Chiara Angelone