Los peces generan parejas móviles de vórtices para impulsarlos hacia adelante como ondas corporales
Al nadar en entornos submarinos complejos, los peces son incomparables cuando se trata de control de movimiento y flexibilidad. Durante décadas, los investigadores se han inspirado en copiar a los nadadores más talentosos de la naturaleza para optimizar la propulsión y la maniobrabilidad de los vehículos submarinos.
Aunque la relación entre el movimiento de la cola, o aleta caudal, y las formas transitorias y el movimiento del entorno acuático es bien conocida en la mecánica de los peces, se ha prestado poca atención a cómo afectan los campos de presión la generación y el control del empuje para impulsar a los peces.
En un nuevo estudio investigadores de la Universidad de Ingeniería de Harbin en China demostraron que los peces, a través del control preciso de las fluctuaciones corporales, generan parejas de vórtices móviles de regiones de alta y baja presión que les permiten nadar. Los hallazgos sientan las bases para el diseño de estructuras flexibles para una hélice biónica submarina de alto rendimiento.
Los investigadores utilizaron velocimetría de imágenes de partículas y cámaras de alta velocidad para analizar el nado espontáneo del pez cebra en un tanque. Un pez acelera cuando dobla su aleta caudal, unida a la columna vertebral, hacia un lado y luego regresa a la posición neutral cuando el pez endereza su cuerpo. En esta finalización de un solo giro de cola, los investigadores descubrieron la formación de dos núcleos de vórtice en la estela girando en direcciones opuestas.
Estos núcleos constituyen una región de baja y alta presión en lados opuestos del pez. Los investigadores encontraron que el tirón generado por el área de baja presión y el empuje producido por el área de alta presión juntos proporcionan la potencia de propulsión del pez cebra.
El movimiento de estas regiones de alta y baja presión promovió conjuntamente la aceleración de la masa de fluido hacia atrás mientras empujaba el fluido hacia afuera en la punta de la aleta caudal. Cuando el cuerpo del pez tenía forma de J, el área de alta presión se deslizaba hacia la parte trasera de la aleta caudal y el área de baja presión se deslizaba hacia el frente de la aleta caudal.
La aleta caudal usó el área de baja presión para impulsar el fluido hacia el cuerpo y generar en la aleta un tirón vertical hacia arriba. El área de alta presión empujó el fluido hacia la cresta y generó un empuje hacia arriba en la aleta caudal. La repetición de este proceso permitió que el pez cebra se moviera continuamente.
"Todo el pez cebra en el proceso de natación se considera una onda corporal", dijo el coautor Yang Han. "Ya sea que aceleraran hacia adelante o cambiaran de dirección, los peces mantuvieron un movimiento ondulatorio en todos los puntos del cuerpo desde el comienzo del movimiento".
El estudio se publica en Physics of Fluids: Hydrodynamic analysis of propulsion process of zebrafish
Imagen de cabecera: Distribución del campo de presión del pez cebra durante un giro completo de la cola; los círculos blancos alrededor de los patrones de vórtice en la tercera imagen indican zonas de alta presión. Crédito: Yun-fei Kuai
