Los tiburones blancos y los extintos megalodones gigantes podrían nadar a velocidades similares
Nuevos hallazgos sobre cómo logran reducir la resistencia los tiburones podrían inspirar el diseño de riblets para aviones y barcos más eficientes.
En su investigación de los dentículos del gran tiburón blanco, los investigadores de Tokyo Tech descubrieron que la altura y el espaciamiento de las crestas juegan un papel crucial en la reducción de la resistencia a diferentes velocidades de natación.
Las crestas medias más altas ayudan a los tiburones a navegar de manera eficiente a velocidades más lentas, mientras que las crestas laterales inferiores se vuelven más críticas para la reducción de la resistencia durante las ráfagas de caza a alta velocidad.
El análisis también sugiere que las velocidades de un tiburón gigante extinto, el megalodon, pueden no diferir mucho de las del tiburón blanco.
El gran tiburón blanco, uno de los depredadores más eficientes del océano, posee en su piel diminutas estructuras similares a dientes, llamadas dentículos dérmicos, que quizás reducen la fricción mientras se mueve por el agua. La reducción de la resistencia les ayudaría a ser rápidos cazadores, alcanzando velocidades de caza de hasta 6,7 m/s, así como nadadores de larga distancia, recorriendo distancias de hasta 20.000 kilómetros de manera eficiente.
Los ingenieros se han inspirado en estos dentículos para diseñar riblets o pequeñas crestas unidireccionales para aviones y veleros. Sin embargo, los dentículos a lo largo del cuerpo de un tiburón varían en forma, tamaño y espaciamiento, lo que complica la comprensión de cómo afectan colectivamente la reducción de la resistencia.
"Nuestros cálculos sugieren que la combinación de crestas altas y bajas de los dentículos es resultado de la adaptación a velocidades de natación tanto lentas como altas, lo que ofrece robustez a diversas condiciones de natación", dice el profesor asociado Hiroto Tanaka, autor correspondiente del estudio.
Los investigadores recolectaron muestras de piel de 17 diferentes lugares de un espécimen de tiburón blanco (Carcharodon carcharias), incluido el hocico, la aleta dorsal, el cuerpo lateral, el cuerpo ventral, la aleta caudal y los lados dorsal y ventral de la aleta pectoral (Figura 1).
Imagen: Figura 1. Vista lateral de un gran tiburón blanco con lugares resaltados para tomar muestras de piel, que muestra dentículos detallados capturados por un escáner de tomografía computarizada de rayos X con microfoco.
Estas muestras fueron escaneadas con un escáner de tomografía computarizada de rayos X de microfoco para crear detallados modelos 3D, que luego se analizaron para medir el espaciado y la altura de las crestas. Según estudios previos de dinámica de fluidos de los riblets, las crestas de los dentículos posiblemente reducen la fricción al levantar los vórtices turbulentos de la superficie de la piel del tiburón. Estos vórtices son más grandes y están más alejados de la piel a velocidades de crucero más lentas, pero se encogen a medida que el tiburón nada más rápido (Figura 2). Por lo tanto, el espaciamiento y la altura de estas crestas son cruciales porque determinan la eficacia con la que el tiburón interactúa con estos vórtices.
Imagen: Figura 2: Los dentículos con distintas alturas y espaciados reducen la resistencia al interactuar con los vórtices en el sentido de la corriente. Las crestas medias altas expulsan los vórtices más grandes a velocidades de crucero bajas (2 m/s), mientras que las crestas vecinas más pequeñas se encargan de los vórtices más pequeños a velocidades de caza (5 m/s).
Para estudiar estos aspectos, los investigadores modelaron el cuerpo del tiburón como una placa plana de la misma longitud y definieron valores adimensionales para el espaciamiento (s+) de las crestas de los dentículos. Estos valores normalizan las dimensiones físicas de las crestas según las características del flujo. Se calcularon parámetros adimensionales para velocidades de nado de 1 m/s, 2 m/s, 5 m/s y 10 m/s, y se compararon con un riblet festoneado bien estudiado similar a los dentículos de tiburón. Se sabe que el riblet de referencia reduce al máximo la fricción en un s+ de 17. Al comparar este valor, los investigadores pudieron determinar cómo el espaciado de las crestas de los dentículos del tiburón influye en la reducción de la fricción a diferentes velocidades.
Como resultado, los investigadores descubrieron que el s2+ de las crestas medias superiores llega a ser aproximadamente 17 a 2 m/s, lo que corresponde a la velocidad de migración medida. A velocidades de caza de 5 m/s, el s1+ de las crestas altas y bajas vecinas se convierte en aproximadamente 17, lo que indica el máximo efecto de reducción de arrastre.
"Las crestas altas probablemente reducen la resistencia a velocidades de natación bajas, y las crestas alternadas altas-bajas reducen la resistencia a velocidades de natación altas, cubriendo todo el rango de velocidades de natación. Nuestro método de cálculo también se puede aplicar a otros tiburones, incluidas las especies extintas", dice Tanaka.
Según los datos disponibles de los fósiles, se calcula que las velocidades de nado de un megalodon, un extinto tiburón gigante con una morfología de dentículos similar, son de 2,7 m/s y 5,9 m/s, respectivamente. Por lo tanto, a pesar de su gran cuerpo, la velocidad del megalodón podía no diferir mucho de la del tiburón blanco.
Al descubrir cómo funcionan los dentículos del tiburón, este estudio podría conducir a nuevos diseños de riblets con crestas altas y bajas en ingeniería y a nuevos métodos de análisis para el estudio biológico de la evolución del tiburón.
El estudio se ha publicado en el Journal of The Royal Society Interface: Three-dimensional shape of natural riblets in the white shark: relationship between the denticle morphology and swimming speed of sharks
