La física de cómo los pingüinos papúa pueden nadar tan rápido bajo el agua – Ars Technica

pingüinos papúa Son las aves nadadoras más rápidas del mundo, corriendo a velocidades máximas bajo el agua de hasta 36 km/h (alrededor de 22 mph). Esto se debe a que sus alas se han convertido en aletas que son perfectas para moverse por el agua (aunque en gran medida inútiles para volar por el aire). Los físicos ahora han utilizado el modelado computacional de la hidrodinámica de las alas de los pingüinos para obtener información adicional sobre las fuerzas y los flujos que esas alas crean bajo el agua. Llegaron a la conclusión de que la capacidad del pingüino para cambiar el ángulo de sus alas mientras nada es la variable más importante para generar empuje, según el ultimo papel Publicado en el Journal of Fluid Physics.

«La capacidad superior de los pingüinos nadadores para arrancar/frenar, acelerar/desacelerar y girar rápidamente se debe a sus alas que se mueven libremente». dijo el coautor Prasert Prapamonthon del Instituto de Tecnología Rey Mongkut Ladkrabang en Bangkok, Tailandia. «Permiten que los pingüinos se propulsen y maniobren en el agua y mantengan el equilibrio en la tierra. Nuestro equipo de investigación siempre ha sentido curiosidad por las criaturas evolucionadas en la naturaleza que serían beneficiosas para la humanidad».

Los científicos siempre han estado interesados ​​en estudiar animales acuáticos. Dicha investigación podría conducir a nuevos diseños que reduzcan la resistencia de los aviones o helicópteros. O podría ayudar a construir robots bioinspirados que sean más eficientes para explorar y monitorear entornos submarinos, como Robocrillun pequeño robot impreso en 3D con una sola pierna diseñado para imitar el movimiento de una pierna kril Para que puedas moverte sin problemas en entornos submarinos.

Las especies acuáticas han evolucionado de varias maneras para mejorar su eficiencia mientras navegan por el agua. Por ejemplo, los tiburones mako pueden nadar a velocidades de 70 a 80 millas por hora, lo que les valió el apodo de «leopardos del océano». En 2019, los científicos demostraron que un factor importante en la forma en que los tiburones mako pueden moverse tan rápido es la estructura única de su piel. Tienen pequeñas escamas transparentes, de unos 0,2 milímetros de tamaño, llamado «dientes» en todo el cuerpo, especialmente concentrado en las alas y aletas. Las escamas son más flexibles en estas áreas en comparación con otras áreas como la nariz.

Esto tiene un efecto profundo en el grado de estrés que experimenta el tiburón mako mientras nada. Es causado por la presión de tracción. separación de flujo alrededor de un objeto, como un avión o el cuerpo de un tiburón mako mientras se mueve por el agua. Esto es lo que sucede cuando el fluido se aleja de la superficie del cuerpo, formando remolinos y remolinos que impiden el movimiento del cuerpo. Los dientes pueden plegarse en la piel del tiburón en ángulos de más de 40 grados desde su cuerpo, pero solo en una dirección contraria a la corriente (es decir, desde la cola hasta la nariz). Esto controla el grado de separación del flujo, similar a los hoyuelos en una pelota de golf. El punteado, o escamas en el caso del tiburón mako, ayuda a mantener el flujo atado alrededor del cuerpo, lo que reduce el tamaño de alerta.

Los camarones de hierba de pantano aumentan la propulsión hacia adelante gracias a la rigidez y al aumento de la superficie de su pata. También tienen dos mecanismos de reducción de la resistencia: las patas son el doble de flexibles durante la brazada de recuperación y se doblan con más fuerza, lo que da como resultado una interacción menos directa con el agua y menos estelas (remolinos más pequeños); Y en lugar de que las tres piernas se muevan por separado, sus piernas básicamente se mueven como una sola, lo que reduce en gran medida la resistencia.

También se han realizado muchos estudios que examinan la biomecánica, la kinesiología y la forma de las aletas de los pingüinos, entre otros factores. Prabamonthon y otros. Quería profundizar específicamente en la hidrodinámica de cómo un ala batiente genera empuje hacia adelante. Según los autores, los animales acuáticos suelen utilizar dos mecanismos básicos para generar empuje en el agua. Uno se basa en la resistencia, como el remo, y es muy adecuado para moverse a baja velocidad. Para velocidades más altas, utilizan un mecanismo basado en el aleteo de levitación, que ha demostrado ser más eficiente para generar empuje.

En un nivel, las alas de los pingüinos son esencialmente alas emplumadas de un avión, solo que más cortas y planas como aletas o paletas, con plumas cortas y tupidas que ayudan a atrapar el aire para reducir la fricción y la turbulencia. Los pingüinos también pueden alterar el ángulo de sus alas (plumas activas de las alas) para reducir la resistencia cuando necesitan ajustar su postura de natación, junto con el cabeceo y el aleteo. De hecho, el ala del pingüino es bastante compleja geométricamente, según los autores. Hay una parte interna en la que la distancia entre el borde delantero (delantero) y el borde trasero (trasero) aumenta más lejos de raíz; la sección media donde la punta es aproximadamente paralela al espacio entre la punta del ala y la punta del ala; y la parte exterior, donde el borde de fuga del ala es cóncavo.

El equipo estudió películas de pingüinos nadando, combinadas con análisis de movimiento bidimensional desde un lado. Estos datos les ayudaron a construir un modelo hidrodinámico para simular las fuerzas y los flujos complejos alrededor de las alas, incorporando variables como la amplitud, la frecuencia y la dirección del aleteo y las plumas del ala, así como la velocidad y la viscosidad del medio fluido. Usaron la relación entre la velocidad de empuje y la velocidad de avance para modelar el movimiento de las alas y agregaron una nueva variable que llaman «ángulo de empuje», que básicamente está determinada por el ángulo de ataque y el ángulo de las alas en relación con la dirección de avance.

Prabamonthon et al. concluyó que los pingüinos usan un mecanismo de propulsión basado en sustentación mientras nadan. Además, el movimiento de las plumas es esencialmente la forma en que los pingüinos producen un empuje hacia adelante tan poderoso en el agua. La amplitud óptima durante la gradación genera el mayor empuje. Los pingüinos son obviamente expertos en encontrar ese punto óptimo.

Sin embargo, si hay demasiada capacitancia, causará un impulso negativo. Cuando las alas baten, producen vórtices, sobre todo un Espiral de vanguardia (LEV) En el techo del pabellón hay un Prapamonthon y otros. Se encuentra que juega un papel importante en la generación tanto de sustentación como de empuje. “En el trazo inferior, por ejemplo, la introducción de un ángulo de paleta debilita la intensidad de la ventilación de escape local en la plataforma superior (lado de succión) y reduce la sustentación”, escribieron los autores. «Sin embargo, el ángulo de aleteo excesivo desplaza la superficie inferior hacia el lado de la succión, lo que da como resultado un nivel más bajo de ventilación de escape local cerca de la raíz. Este cambio podría explicar el empuje negativo causado por el ensanchamiento excesivo de la paleta».

DOI: Física de Fluidos, 2023. 10.1063 / 5.0147776 (sobre los DOI).