Una hipótesis para ingeniería naval. Basada en física y biología.

    Artículo redactado por Daniel Garrido Murias y Ammu.

Veamos… ante todo esta publicación no es de una investigación si no que es más bien una propuesta para que otros investiguen sobre la hipótesis que aquí escribiré, además utilizaré un lenguaje llano (el mío) y a modo de narración… sin pretensiones.

Algunos videos de animales nadando:
https://www.youtube.com/watch?v=iukXyecoRJs

https://www.youtube.com/watch?v=cd_PBgfc1JA

https://www.youtube.com/watch?v=kCrbCi6-0CM

¿QUÉ ES EL FLUJO LAMINAR?

El conocido flujo laminar o corriente laminar es la denominación al movimiento de un fluido cuando este es ordenado, estratificado o suave. En un flujo laminar, el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. En dichos flujos laminares, el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular.

El flujo laminar es típico de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas, mientras que flujos de fluidos de viscosidad baja, velocidad alta o grandes caudales suelen ser turbulentos.

Imagen 1. Flujo laminar y turbulento en esquema. Imagen extraída de: https://cruma.es/flujo-laminar-o-turbulento/

El número de Reynolds es un parámetro adimensional importante en las ecuaciones que describen en qué condiciones el flujo será laminar o turbulento. En el caso de un fluido que se mueve en un tubo de sección circular, el flujo persistente será laminar por debajo de un número de Reynolds crítico de aproximadamente 2040. Para números de Reynolds más altos, el flujo turbulento puede sostenerse de forma indefinida. Sin embargo, el número de Reynolds que delimita flujo turbulento y laminar depende de la geometría del sistema y, además, la transición de flujo laminar a turbulento es en general sensible a ruido e imperfecciones en el sistema.

¿QUÉ ES LA VEJIGA NATATORIA?

La vejiga natatoria es un órgano de flotación que poseen muchos peces óseos. Se trata de una bolsa de paredes flexibles llena de gas y se encuentra en el celoma, justo bajo la columna vertebral.

Imagen 2. Esquema de la anatomía del pez, con la vejiga natatoria representada en el esquema. Imagen extraída de: https://www.mispeces.com/reportajes/Viabilidad-de-las-granjas-sumergidas-una-cuestion-relacionada-con-la-vejiga-natatoria/

Los peces óseos tienen un peso específico ligeramente por encima del agua. La vejiga natatoria controla la flotabilidad neutral del pez en el agua, sin la necesidad de un esfuerzo muscular. Siendo, por tanto, un mecanismo que es como el órgano del equilibrio de los humanos en el oído interno.

Imagen 3. Imagen de una vejiga natatoria de un pez. Imagen extraída de: https://es.wikipedia.org/wiki/Vejiga_natatoria#/media/Archivo:Swim_bladder_(Abramis_brama)_(leszcz).jpg

No obstante, aunque la mayoría de los peces óseos poseen una vejiga natatoria, existen excepciones como algunos peces bentónicos que no se beneficiarían de una flotabilidad neutral. Muchos peces predadores tampoco la tienen y les da la ventaja de poderse mover rápidamente en diferentes profundidades, mientras peces con la vejiga natatoria son limitados a cierta profundidad en el agua. Ejemplo típico de estos predadores son los elasmobranchii (tiburones y rayas).

POSIBLE MECANISMO QUE UTILIZARÍAN LOS PECES PARA EMITIR LA VIBRACIÓN

Además de lo dicho también me sobrevino otro recuerdo de otro documental televisivo en el que aparecían unos meros en la bahía de una ciudad famosa de costa y de cómo estos hacían vibrar su vejiga natatoria para comunicarse o aturdir a sus presas y como estas vibraciones se sentían dentro de los camarotes de los barcos atracados allí. ¿Podrían peces más pequeños generar vibraciones con sus respectivas vejigas natatorias o en el caso de cetáceos con su garganta (sus famosos silbidos y chasquidos) para generar esta adhesión del agua en su piel?

ESTUDIOS DE COMO LA FORMA Y LA PRESIÓN AYUDAN A QUE EL FLUJO LAMINAR AYUDE A LOS PECES, CETÁCEOS Y PINGÜINOS A NADAR

Las capas límites dentro del flujo laminar se ha demostrado que permiten que se quede dicho flujo pegado al cuerpo del nadador, en este caso una persona, un cetáceo, un pez o un pingüino. Además, la piel es grasa en todos los animales, lo que ayuda a que a su alrededor sea más deslizante y aerodinámico.

Por otro lado, la grasa de la piel sirve como aislante hidrofóbico, ya que las grasas no se mezclan con el agua, eso implica, que los animales como peces, cetáceos o pingüinos sean capaces de conseguir nadar a grandes velocidades.

Además, de la vibración de los cetáceos cuando emiten sonidos, la vejiga natatoria de los peces y las plumas aerodinámicas de los pingüinos ayudan a crear ese efecto Casimir o fuerza de Casimir - Polder.

EFECTO CASIMIR-POLDER

En física y matemáticas aplicadas, el efecto Casimir o la fuerza de Casimir-Polder es un efecto predicho por la teoría cuántica de campos que resulta medible y consiste en que, dados dos objetos metálicos separados por una distancia pequeña comparada con el tamaño de los objetos, aparece una fuerza atractiva entre ambos debido a un efecto asociado al vacío cuántico.

Imagen 4. Placas que esquematizan el efecto Casimir. Imagen extraída de: https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Casimir#/media/Archivo:Casimir_plates.svg

Las fluctuaciones de vacío del vacío cuántico dentro del espacio entre las placas solo existen en modos de vibración estacionarios, entonces el número de modos del espacio intermedio es inferior a los modos de fluctuación de afuera; esto causa un desequilibrio de modos vibratorios, originando una presión física externa que provoca que las placas se acerquen entre sí.

Imagen 5. Placas esquemáticas que reflejan como actúa el fluido. Imagen extraída de: https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Casimir#/media/Archivo:Casimir_plates_bubbles.svg

CONCLUSIÓN E HIPÓTESIS EXPLICATIVA DE LA POSIBLE CAUSA DEL FLUJO LAMINAR EN LA NATACIÓN DE PECES, CETÁCEOS Y PINGÜINOS Y SU PROPUESTA DE APROVECHAMIENTO EN VEHÍCULOS NAVALES

Bien, el caso es que durante uno de aquellos días de pandemia viendo vídeos científicos (y pseudocientíficos, confieso) di con uno, de estos últimos, que en cierto momento mostraba un extracto de otro, este si más solvente. Este trataba de un experimento que parecía dar explicación al conocido “efecto casimir” y en él se veían dos placas de metal colgando dentro de una cubeta con alcohol tintado de verde. Cuando se hacía vibrar el alcohol (desconozco a que frecuencia, aunque la menciona en el vídeo que adjunto más abajo) las placas se juntaban.

Enlace al vídeo de supuesta demostración del efecto casimir; https://youtu.be/H-GnwnEnLCA

En ese momento recordé el fenómeno del flujo laminar sobre la superficie de la piel de los peces y otras criaturas acuáticas y como la explicación de este podría venir del efecto que se describía en el vídeo. Es decir ¿podrían los peces, cetáceos y pingüinos, generar mientras nadan una vibración que atraiga el agua a su piel para evitar las turbulencias y su consiguiente arrastre para, como resultado, nadar mucho más velozmente? ¿se podría incluso replicar esto en un vehículo para hacerlo más eficiente, como en un submarino o barco?

Ciertamente, hay investigaciones y muchas de las formas geométricas de submarinos y barcos que se han inspirado en el conocimiento y observación de estos animales.

Bibliografía

·       Avila, K.; D. Moxey, A. de Lozar, M. Avila, D. Barkley, B. Hof (julio de 2011). «The Onset of Turbulence in Pipe Flow». Science 333 (6039): 192-196. doi:10.1126/science.1203223.

·       Reynolds, O. (1883). «An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the law of resistance in parallel channels». Proc. R. Soc. London 35: 84-99.

·       Artículo extraído de Wordpress. Biomecánica de la natación. URL: https://activacuaticas.wordpress.com/wp-content/uploads/2014/11/biomecanica-de-la-natacion-ii.pdf

·       Moyes, Christopher D., and Patricia M. Schulte. Principles of animal physiology. 2nd ed. San Francisco, CA: Pearson/Benjamin Cummings, 2008. Print.

·       Hickman, Cleveland P., Larry S. Roberts, Allan Larson, Fernando Martínez, and Rafael Ballester. Zoología: principios integrales. 3a ed. Nueva York: Interamericana; McGraw-Hill, 1994. Print.

·       Nielsen, Knut. Animal physiology: adaptation and environment. 5th ed. Cambridge [England: Cambridge University Press, 1997. Print

·       Artículos extraídos de la navegación de construcción naval. URL:  https://www.madrimasd.org/blogs/ciencia_marina/category/navegacion-y-construccion-naval

Artículo editado por Ana María Morón Usero, creadora de Ammu Neuroscience and Biology.

Podéis leer muchos más conceptos y artículos desde el Glosario de física.

Más sobre la autora:

Daniel Garrido Murias, autor de los dibujos de las historias de Ana y María dos biólogas de este blog, además de un seguidor desde los inicios del proyecto nos comparte está hipótesis que esperamos alguien que sepa más que él y yo nos ayude del todo a resolver. Pero, dejamos aquí un poco de ciencia también, para aprender juntos, construyendo el conocimiento.

Ha colaborado con el proyecto de Ammu Neuroscience and Biology, proyecto que intenta acercar la ciencia a la gente. Os animamos a leer otros post, donde aprenderéis mucho sobre la ciencia en Lokicia, tenéis más artículos de científicas escritos por Ammu. 

Que la ciencia y la fuerza os acompañe.