Los ojos saltones y la boca hacen que las mantarrayas sean más eficientes hidrodinámicamente

ojo de mantarraya

Los ojos y la boca generan un vórtice de flujo hacia adelante y hacia atrás, aumentando la presión negativa en el frente del animal

Con sus cuerpos comprimidos y aletas pectorales flexibles, las mantarrayas evolucionaron para estar entre los nadadores más eficientes de la naturaleza. Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo sobre el papel que juegan sus sobresalientes ojos y boca, que uno podría esperar que sean desventajas hidrodinámicas.

En una nueva investigación, investigadores chinos y surcoreanos detallan cómo tales características en mantarrayas simuladas afectan una variedad de fuerzas involucradas en la propulsión, como la presión y la vorticidad. A pesar de lo que podría esperarse, el grupo encontró que estas características sobresalientes ayudaban a optimizar aún más las rayas.

"La influencia de los ojos y la boca que sobresalen en 3D en una mantarraya flexible autopropulsada y su mecanismo hidrodinámico subyacente aún no se comprenden completamente", dijo el autor Hyung Jin Sung, del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea. "En el presente estudio, se exploró por primera vez el beneficio hidrodinámico de los protuberantes ojos y la boca, revelando el papel hidrodinámico de los ojos y la boca".

placa flexible autopropulsada

Imagen: Esquema de la placa flexible autopropulsada con ojos y boca. Crédito: Qi-an Mao

Para ilustrar la compleja interacción entre las fuerzas hidrodinámicas, los investigadores se pusieron a trabajar en la creación de un modelo informático de una placa flexible autopropulsada. Ellos "sujetaron" el extremo frontal del modelo y luego lo obligaron a imitar las oscilaciones armónicas hacia arriba y hacia abajo que usan las mantarrayas para impulsarse.

Para recrear el efecto de los ojos y la boca en el agua circundante, el equipo simuló en el modelo múltiples placas rígidas. Compararon este modelo con uno sin ojos ni boca utilizando una técnica llamada método de límites inmersos en penalización.

"Es difícil manejar peces que nadan al azar y aislar el propósito deseado de medición de numerosos factores", dijo Sung. "Para superar estas limitaciones, se adoptó el método de límite sumergido en penalización para encontrar los beneficios hidrodinámicos de los sobresalientes ojos y boca".

El grupo descubrió que los ojos y la boca generaban un vórtice de flujo hacia adelante y hacia atrás, lo que aumentaba la presión negativa en el frente del animal simulado, y un vórtice de lado a lado que aumentaba la diferencia de presión entre la parte superior y la inferior de la mantarraya. El resultado fue un mayor empuje y un crucero acelerado.

Un análisis más detallado mostró que los ojos y la boca aumentaron la eficiencia de propulsión general en más de un 20,5% y un 10,6%, respectivamente.

Sung y su equipo esperan que su trabajo, impulsado por la curiosidad, avive aún más el interés en explorar los fenómenos de fluidos en la naturaleza. Están buscando formas de adaptar esto para los diseños de vehículos acuáticos de próxima generación basados más de cerca en los animales marinos.

Los hallazgos se han publicado en Physics of Fluids: Hydrodynamic benefits of protruding eyes and mouth in a self-propelled flexible stingray

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