Para sorprender a sus presas, algunas especies de aves marinas se sumergen en el agua a velocidades superiores a 50 millas por hora. Un buzo humano que entre al agua tan rápido probablemente sufrirá lesiones graves, pero las aves, como los alcatraces y los piqueros, logran esto.se zambulle de manera segura a pesar de sus delgados cuellos.
Una nueva investigación de Virginia Tech ayuda a explicar cómo las aves manejan estas inmersiones de alta velocidad.
"Estábamos interesados en lo que sucede cuando los objetos se sumergen en el agua, por lo que buscamos ejemplos en la naturaleza; los alcatraces son increíbles", dijo Sunny Jung, profesor asociado de ingeniería biomédica y mecánica en la Facultad de Ingeniería y experto enbiomecánica de fluidos; también ha estudiado la inusual técnica de beber de los perros y cómo los camarones usan burbujas microscópicas para cazar.
En un nuevo estudio publicado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , Jung y sus compañeros de trabajo investigan la biomecánica de las inmersiones de alcatraces. Descubrieron que la forma de la cabeza de los pájaros, la longitud del cuello y la musculatura, y las velocidades de buceo funcionan en conjunto para garantizar que la fuerza del agua no se doble sus cuellos delgados.
Los estudios previos de las aves buceadoras se han centrado en los aspectos ecológicos de este comportamiento de caza, llamado "inmersión por inmersión". Jung's es el primer artículo que explora la física y la ingeniería biomecánica subyacentes que permiten a las aves zambullirse bajo el agua sin lesiones.
Para analizar la forma del cuerpo del ave y la musculatura del cuello, el equipo utilizó un alcatraz recuperado provisto por el Museo de Ciencias Naturales de Carolina del Norte. También crearon réplicas impresas en 3-D de los cráneos de alcatraz de la colección de la Institución Smithsonian, que los ayudóMida las fuerzas en el cráneo a medida que ingresa al agua.
La fuerza principal que actúa sobre la cabeza del alcatraz cuando se hunde debajo del agua es la resistencia, que aumenta con la velocidad. Para analizar qué otros parámetros afectan la fuerza que experimenta el ave, los investigadores crearon un modelo simplificado a partir de un cono impreso en 3D enun "cuello" de goma flexible, y sumergió este sistema en un recipiente con agua, variando el ángulo del cono, la longitud del cuello y la velocidad de impacto. El video de alta velocidad mostró si el cuello se doblaba.
"Eso es lo que hacemos: tomamos un sistema complicado y encontramos una manera de simplificarlo", dijo Brian Chang, un estudiante de doctorado de cuarto año de Washington, DC, que comenzó a trabajar en el laboratorio de Jung como estudiante universitario.
Su análisis reveló que la transición de la estabilidad al pandeo depende de la geometría de la cabeza, las propiedades del material del cuello y la velocidad del impacto; a las velocidades típicas de buceo con alcatraces, el pico estrecho y puntiagudo de las aves y la longitud del cuello mantienen lafuerza de arrastre en un rango seguro.
"Lo que encontramos es que el alcatraz tiene cierta forma de cabeza, lo que reduce la resistencia en comparación con otras aves de la misma familia", dijo Jung.
Los investigadores también descubrieron que las aves reducen aún más el riesgo de pandeo al contraer los músculos del cuello antes del impacto, enderezando el cuello en forma de S.
El equipo ya está extendiendo su trabajo a otras especies.
"Una implicación de este estudio es el criterio de seguridad para los buzos humanos", dijo Jung.
Los humanos están en desventaja en relación con los alcatraces; en contraste con el pico puntiagudo de las aves y el cuello delgado, los pies humanos crean una superficie plana que aumenta la fuerza del impacto con el agua. Esta fuerza puede ser lo suficientemente fuerte como para romper huesos y causardaño a órganos y tejidos.
A medida que los deportes como el buceo en acantilados y puentes se vuelven más populares, la investigación de biomecánica de fluidos puede ayudar a determinar una altura máxima segura para los buceadores humanos e informar recomendaciones para posiciones que podrían minimizar el riesgo de lesiones.
Jung y Chang también están aplicando su investigación sobre aves buceadoras, apoyadas en parte por el Instituto de Tecnología Crítica y Ciencias Aplicadas y la Fundación Nacional de Ciencias, a su trabajo con un equipo de diseño senior de Virginia Tech en un proyectil submarino inspirado en gannet paradetección autónoma.
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Materiales proporcionado por Virginia Tech . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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