updated 2:26 PM CET, Dec 1, 2016

El pez arquero usa la física para cazar con su saliva

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pez arquero dispara chorro de agua

Una estrategia de caza poco conocida: la muerte por chorro de pistola de agua

Los peces arquero son criaturas increíbles. Se esconden bajo la superficie del agua en los ríos y los mares, esperando que se pose un insecto en las plantas de arriba. Entonces de repente, y con una precisión increíble, arrojan chorros de agua hacia arriba en una corriente que golpea y derriba al insecto. El insecto cae, y durante el tiempo que tarda en golpea el agua, el pez arquero ya está esperando en el lugar listo para tragárselo. Hay que admirar a una criatura que se destaca en lo que parece una estrategia de caza tan improbable - la muerte por chorro de pistola de agua.

Aquí un video de BBC Wildlife muestra al pez arquero en acción (la primera parte del video trata del pez arquero, la segunda del gusano de terciopelo).

Técnicamente el término pez arquero no se refiere a una sola especie de peces, sino a una familia de 7 peces de agua dulce diferentes, que caen bajo el género Toxotes. Golpean con notable precisión, y sólo una décima parte de segundo después de que es golpeada la presa, se mueven rápidamente hacia el lugar donde cae en el agua. A diferencia de la mayoría de los jugadores de béisbol que tienen que mantener sus ojos elevados para seguir la pelota, el pez arquero, en menos de un abrir y cerrar de ojos, está en el sitio esperando a que llegue el insecto.

Si eso no es lo suficientemente impresionante, considera esto otro. Cuando el pez arquero arroja chorros de agua, sus ojos están bajo el agua. Si has pasado algún tiempo en una piscina, sabrás que la luz se curva cuando entras en el agua. Un pez menos astuto podría no corregir esta desviación de la luz y llegar a pensar que el insecto está en algún lugar que no es. Pero no el pez arquero. Este pequeño físico acuático es capaz de corregir a la perfección la curvatura de la luz. Y no se trata de una pequeña corrección, ya que cuando el ángulo de percepción de la meta es de 45 grados, su verdadero punto de vista está desviado hasta 25 grados.

el pez arquero corrige la curvaturade la luz

Y lo hace todavía mejor. El chorro no vuela en línea recta, ya que la Tierra lo atrae hacia abajo. El pez arquero entiende esto. Es capaz de corregir la forma en que la gravedad curva la trayectoria del chorro de saliva.

el pez arquero corrige la fuerza de gravedad

En el gráfico siguiente, esta corrección - la caída de saliva - se muestra para diferentes valores de altura de insectos. Así, por ejemplo, cuando el insecto está a 10 centímetros de altura, las cuentas del pez arquero para una caída de saliva lo sitúan en algún lugar entre 0 a 2 centímetros. Cuando el insecto está a 30 centímetros de altura, esta caída varía de 2 a 15 centímetros. Al ajustar con precisión el ángulo y la velocidad de su saliva, el pez arquero resuelve un difícil problema de física.

el pez arquero corrige el ángulo de disparo

Y la historia no termina aquí. Hay otra cosa que es muy raro en la estrategia de la caza del pez arquero. Tiene que ver con la forma en que el agua se desplaza desde el pez hasta su objetivo. "Me enteré de este fenómeno (dice Aatish Bhatia, Ph.D que trabaja en el Consejo de la Universidad de Princeton sobre Ciencia y Tecnología) gracias a la intuición de Alberto Vailati, profesor de dinámica de fluidos en la Universidad de Milán".

"Vamos a empezar con un video de alta velocidad de la estrategia de escupir del pez arquero, que Alberto tuvo la amabilidad de compartir conmigo", continúa Bhatia. Aquí está en forma de gif (ralentizado acerca 14X):

"Ahora voy a coger este video y analizarlo usando un perseguidor (Tracker), una herramienta fácil de utilizar de código abierto de análisis físico de vídeo. La pregunta que tengo curiosidad es lo rápido que hace el recorrido la corriente de agua desde la boca del pez a la presa".

"Alberto me proporcionó la velocidad de fotogramas de la cámara de alta velocidad y el tamaño del pez - esto me dejaba poner la escala y tiempo de distancia en el video. Entonces, yo seguí la mancha en la punta del agua".

"Si se realiza un seguimiento de la burbuja en función del tiempo (arriba a la derecha en el vídeo de arriba), el gráfico se ve como una línea recta. Toda la rociada ocurre en sólo 4 centésimas de segundo, o 10 veces más rápido que un abrir y cerrar de ojos. Es tan increíblemente rápido que la gota de agua no ha tenido mucho tiempo para caer hasta el momento (es por eso que el gráfico se asemeja a una línea y no una parábola)".

"Pero echemos un vistazo a esto un poco más cerca. He aquí una gráfica de la trayectoria de la gota de agua. Su posición es en el eje vertical (medido en metros) en función del tiempo en el eje horizontal (medido en segundos). Si nos fijamos sólo en la primera mitad de la trayectoria, nos encontramos con que la velocidad del agua (es decir, la pendiente de la recta) es 2,88 metros/segundo".

pez arquero, trayectoria del chorro de agua

Ahora echemos un vistazo a la segunda mitad de la trayectoria.

pez arquero, trayectoria del chorro de agua

"La pendiente de la línea nos dice que la velocidad de la gota es ahora 3,27 metros/segundo.

"¿Ves lo que es raro aquí? La gota de agua está acelerando a medida que asciende más alto, que se mueve más rápido. Esto está en marcado contraste con, por ejemplo, una pelota de baloncesto o una bala que, cuando se dispara hacia arriba, se ralentizará debido a la gravedad y la resistencia del aire - desacelerándose".

"¿Tal de alguna manera lo hice mal? Probemos otro video. Éste se registró a 1.000 fotogramas por segundo, así que no hay más datos".

disparo de un chorro de agua por un pez arquero

"Una vez más, he usado Tracker para el seguimiento de la gota de agua. Cada uno de los círculos rojos que se ven están a sólo una milésima de segundo de diferencia".

Al igual que antes, primero vamos a encontrar la velocidad de la burbuja, cuando sale del pez arquero.

velocidad de la burbuja del pez arquero

"Me sale 3,64 metros/segundo".

A continuación, vamos a buscar su velocidad en la parte superior de la trayectoria.

velocidad de la burbuja del pez arquero

"Es 4,33 metros/segundo. Boom! Una vez más nos encontramos con que la gota de agua se está acelerando. ¿Cómo puede ser eso?

Este es exactamente el fenómeno descrito por Alberto Vailati, Luca Zinnato, y Roberto Cerbino en su reciente documento sobre la dinámica de fluidos del chorro de agua del pez arquero. Analizaron muchas trayectorias diferentes de agua rociadas por un pez arquero, y llegaron a la conclusión de que golpea constantemente el blanco a una velocidad mayor de la que salió del pez. Y demostraron que el pez arquero está usando algunos trucos de la dinámica de fluidos para maximizar la fuerza con que el agua llega a su presa.

Así es como funciona, sigue Aatish Bhatia.

"El primer truco tiene que ver con el agrupamiento. Cuando el pez arquero dispara un chorro de agua de su boca, se asegura que el extremo de la cola del chorro se está moviendo más rápido que el extremo delantero. Imagínese que usted está de pie en una cola y la gente en el comienzo corre de nuevo hacia adelante. Esto exprime a todo el mundo en un espacio más pequeño. Pero la gente tiene que ir a algún lugar, por lo que la cola se ensancha. Del mismo modo el chorro de agua es aplastado por el agua en movimiento rápido al final de la cola, que se ampliaría en un pancake".

agrupamiento de gotas en un chorro de agua

"Esto no es bueno para el pez arquero, porque el agua que está más dispersa golpeará el insecto con menos presión (fuerza dividida por área). Afortunadamente para el pez arquero, hay otra pieza de la física que equilibra esta tendencia del agua a moverse. Usted puede haber notado esta segunda idea en su cuarto de baño. Así como el agua se escurre por un grifo, la corriente a veces se rompe en pequeñas gotas de agua".

goteo animado de un grifo

"Este efecto se conoce como la  inestabilidad de Plateau–Rayleigh. Si se mira muy de cerca, cualquier corriente de agua tiene pequeñas irregularidades. Algunas protuberancias que son más gruesas y cuellos ligeros que son más delgados en la tensión superficial, la tendencia de las diminutas moléculas de agua que se atraen entre sí hace que crezcan estas irregularidades. Los cuellos se encogen hasta que se pellizcan, y la corriente se rompe en distintas gotas. Esta inestabilidad Plateau-Rayleigh también está detrás del fenómeno de 'peto' durante la micción  (ya sabes lo que tiene la culpa), y también ha sido aprovechada por las impresoras de inyección de tinta para controlar con precisión la forma en que cae la tinta sobre el papel".

inestabilidad de Plateau-Rayleigh

Por sí solos, estos dos mecanismos - agrupamiento y la tendencia a formar manchas - no son de mucha utilidad para el pez arquero. Pero cuando se realizan juntos, provocan un gran impacto. El chorro de agua se rompe en gotas debido a la tensión superficial, pero el pez arquero se ha asegurado que las manchas en la parte trasera se están moviendo más rápido que las de delante. Cuando esas rápidas burbujas alcanza a las más lentas en el frente, se funden en una gran súper-burbuja que se mueve más rápido que antes, y golpea a su objetivo con una fuerza mayor en un corto período de tiempo. La energía que se propaga a lo largo del chorro se concentra ahora en una burbuja.

Esto no es sólo un buen truco, es la clave de la estrategia de caza del pez arquero. A quemarropa, el chorro de agua no proporciona suficiente fuerza para derribar a un insecto. Pero con este truco de amplificación de potencia, el pez arquero puede alcanzar una fuerza de choque que es más de cinco veces de lo que puede producir cualquier músculo de los vertebrados.

El pez arquero caza con un conocimiento práctico de movimiento, la gravedad, la óptica y la dinámica de fluidos, solucionando sin esfuerzo los problemas que pueda tener un estudiante de física en la noche. Utiliza la ciencia para darse a sí mismo una fuerza sobrehumana (o más bien, súper pescado) - como el Ojo de Halcón del reino animal, que siempre está el objetivo y nunca se queda sin flechas.

Referencias:

How Archer Fish Achieve a Powerful Impact: Hydrodynamic Instability of a Pulsed Jet in Toxotes jaculatrix. Alberto Vailati, Luca Zinnato and Roberto Cerbino. PLOS One.

Refraction and the spitting behavior of the archerfish. Lawrence M. Dill. Behavioral Ecology and Sociobiology.

Predicting three-dimensional target motion: how archer fish determine where to catch their dislodged prey. Samuel Rossel, Julia Corlija and Stefan Schuster. The Journal of Experimental Biology.

¿Quieres saber más sobre el pez arquero? Vuelve dentro de unos días para leer el siguiente artículo: ¿Cómo toma las decisiones el pez arquero?