Esta nueva información del movimiento en los fluidos se detalla en un artículo que se publica en la revista 'Nature Communications'
visitas
Hace millones de años, incluso antes de que los continentes se hubieran asentado en su lugar, las medusas ya estaban nadando por los océanos con los mismos movimientos que hoy en día. Ahora, mediante experimentos matemáticos, un equipo de investigación interdisciplinario revela cómo las medusas y las lampreas, otra especie antigua que ondula como anguilas, se mueven a través del agua con una eficiencia sin igual: succionando el agua en lugar de empujándola.
"El hallazgo confunde todas nuestras suposiciones. Pero nuestros experimentos muestran que las lampreas y medusas, de hecho, succionan el agua hacia sí mismos para seguir adelante en lugar de empujarse contra el agua detrás de ellos, como se había supuesto anteriormente", dice John Dabiri, profesor de Ingeniería Civil y Ambiental y de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Stanford, Estados Unidos.
Esta nueva información del movimiento en los fluidos se detalla en un artículo que se publica en la revista 'Nature Communications' por Dabiri, quien comparte la autoría con Brad Gemmell, de la Universidad del Sur de Florida, Sean Colin, de la Universidad Roger Williams, y John Costello, del 'Providence College', en Estados Unidos.
Dabiri, un ingeniero, y sus colaboradores, todos ellos biólogos afiliados con el Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole, Massachusetts, Estados Unidos, han pasado años estudiando los sistemas de propulsión de las medusas y las lampreas, similares a las anguilas. Ambos animales hace mucho tiempo que se convirtieron en nadadores eficientes y cada mínimo impulso y movimiento ondulante les ayuda a recorrer una distancia significativa.
El estudio de la naturaleza en busca de pistas para mejorar las tecnologías humanas forma parte de un campo llamado biomimética y los colaboradores interdisciplinarios originalmente se dispusieron a buscar ideas que pudieran mejorar el diseño de submarinos, barcos y similares.
Hace unos tres años, Dabiri comenzó a sospechar que los científicos habían entendido mal la propulsión bajo el agua, que moverse hacia adelante como los mejores nadadores de la naturaleza era mucho más complicado que hacer girar una hélice o dar patadas con los pies, para moverse contra el agua que se queda detrás.
En cambio, estos expertos muestran que a medida que la lamprea se desliza a lo largo, crea una bolsa de agua a baja presión dentro de cada curva de su cuerpo. A medida que el agua por delante de la lamprea corre por esta curva de baja presión, el flujo del agua tira de la lamprea hacia adelante.
La propulsión de las medusas es similar. A medida que los huecos en forma de paraguas de las medusas se colapsan, el agua de delante del animal va hacia la popa, impulsando las medusas hacia delante. Dabiri y sus colaboradores diseñaron un experimento que les permitió utilizar una ecuación de 260 años de edad, que ayuda a los científicos a explicar el comportamiento teórico de los fluidos alrededor de objetos sólidos, como los animales nadadores.
Esto es difícil porque los sólidos y los líquidos son muy diferentes. "Las interacciones entre objetos sólidos suelen ser sencillas, como dos bolas de billar que chocan entre sí y, por lo tanto, se pueden calcular las fuerzas sin mucha dificultad", señala Dabiri. "Pero en un fluido, cada molécula es como una bola de billar y son prácticamente innumerables. No hay una forma sencilla de calcular todas esas interacciones", agrega.
En 1755, el matemático Leonard Euler creó una ecuación para describir el movimiento del fluido, que se reducía a la interacción de tres variables: el tiempo, la velocidad del flujo y la presión ejercida por cada molécula del líquido en sus vecinas. El tiempo y el flujo eran fáciles de medir incluso entonces, pero la presión es mucho más difícil de medir, especialmente cuando un animal nada a través del fluido.
Así que el equipo de Dabiri creó un sistema experimental que le permitió aproximarse con precisión a esta variable de presión. "Todo el mundo es consciente de que la ecuación de Euler puede describir con eficacia el movimiento del fluido, pero la extracción de la presión de la ecuación en los experimentos del mundo real ha sido un desafío durante mucho tiempo", subraya Dabiri.
El Trabajo
Comenzaron con un tanque acrílico rectángular de alrededor 30 centímetros, 121 centímetros y 15 centímetros de profundidad. En el agua flotaban millones de pequeñas cuentas de vidrio huecas que servían como sustitutos de las moléculas de agua y se colocaron dos láseres opuestos entre sí en los lados estrechos del rectángulo, con una cámara digital de alta velocidad junto al láser.
A medida que pequeñas medusas y lampreas nadaron a través del tanque, sus movimientos alteraron las cuentas de vidrio, cuyas posiciones fueron rastreados por los láseres y grabadas por las cámaras digitales en fracciones de segundo. El experimento se convirtió en un ejercicio de cálculo.
El tiempo y el flujo pueden medirse con precisión en el caso de las cuentas en cada momento. Tras hacer miles y miles de cálculos, el equipo utilizó estas dos variables precisas para resolver la tercera variable, la presión tan difícil de alcanzar. Introdujeron estos resultados en un ordenador que transformó la montaña de datos en una representación visual de las fuerzas de presión en juego.
A partir de esta imagen, se hizo evidente que las bolsas de baja presión creadas en el borde interior de cada movimiento ondulante de los animales eran el conductor dominante de la propulsión, empujando agua hacia el animal para moverlo hacia delante.
Como prueba adicional, los investigadores compararon dos grupos de lampreas de la misma especie: uno de control que se movió ondulando de forma natural, y uno experimental, al que modificaron de manera que sólo se movía su cola, con un movimiento de pateo menos eficiente, no muy diferente de los nadadores humanos.
"Las ondulaciones del cuerpo de las lampreas normales los distinguen como mucho mejores nadadores que cualquier persona. Los nadadores humanos generan alta presión en lugar de succión. Eso es suficiente para conseguir atravesar la piscina, pero requiere mucha más energía que la acción de succión de las lampreas y medusas", destaca Dabiri.
Los nuevos entendimientos biomiméticos podrían proporcionar la base para avances significativos en el diseño de vehículos bajo el agua. Costello, un experto en medusas, considera que los nuevos hallazgos muestran el mecanismo seleccionado por la evolución para optimizar el esfuerzo que se realiza para recorrer una distancia bajo el agua por parte de los animales.
PN/JV
AGENCIA UNO
