Durante años, B. Ubbo Felderhof, profesor del Instituto de Física Teórica de la Universidad RWTH Aachen de Alemania, ha explorado los mecanismos de los que dependen los peces y los microorganismos para impulsarse. Las aves voladoras y los insectos enfrentan desafíos similares que se impulsan a sí mismos, pero sinel lujo de la flotabilidad, estas criaturas también luchan con superar la gravedad para mantenerse en el aire.
Hace más de 20 años, Felderhof estaba estudiando la teoría detrás de la "natación" de los microorganismos, descrita por las interacciones de fricción entre los microcuerpos y el fluido circundante. Debido a la pequeña masa de muchos microorganismos como las bacterias, tales fuerzas de inercia podrían serdescuidado en la descripción. Sin embargo, para organismos un poco más grandes, este no fue el caso.
Desde entonces, Felderhof ha creado modelos mecánicos para desarrollar más completamente la teoría, que consiste en cadenas lineales de esferas conectadas por resortes y sumergidas en fluido. Aquí tomó en cuenta que la interacción con el fluido implica tanto fricción como inercia, ya que el efecto dela masa no se puede descuidar para estas estructuras más grandes.
como Felderhof informa ahora Física de fluidos , de AIP Publishing, acaba de impulsar este trabajo aún más al abordar lo que sucede en el caso de agregar una esfera a la cadena que es mucho más grande que las otras esferas.
Felderhof estudia las estructuras de las esferas porque el efecto de la fricción y la inercia del fluido sobre el movimiento de una sola esfera es bastante conocido. Sin embargo, con varias esferas, la imagen es más compleja y debe tener en cuenta las posiciones y orientaciones ".En varias esferas, existe la complicación de las interacciones hidrodinámicas debido a la interferencia de los patrones de flujo ", dijo." Estas interacciones hidrodinámicas dependen de las posiciones relativas de los centros de las esferas ".
Si las posiciones relativas de las esferas se varían periódicamente aplicando una fuerza oscilante en cada una de ellas, con la restricción de que la fuerza neta total desaparece en cualquier momento, el sistema aún ve movimiento. "A pesar de la última restricción, elconjunto de esferas en general realiza un movimiento de red, que se llama 'nadar' ", dijo Felderhof.
Una formulación matemática permite encontrar la carrera óptima, las fuerzas aplicadas combinadas, que produce la velocidad promedio máxima para una potencia determinada.
Para este nuevo trabajo, Felderhof exploró una cadena lineal de esferas con una gran esfera pasiva, lo que significa que la fuerza aplicada en esa esfera desaparece. "La gran esfera se llama 'carga'", dijo. "Piense en ella comoun cuerpo grande con pequeños apéndices móviles, o de un bote empujado o tirado por una pequeña hélice. "
Su trabajo proporciona una aclaración conceptual importante de la teoría del flujo. "En las explicaciones populares de nadar y volar, se nos dice que la velocidad se logra mediante un equilibrio de empuje y resistencia", dijo Felderhof. "Sin embargo, mis cálculos del modelo muestranque tanto el empuje como el arrastre medios desaparecen cuando se promedian durante un período. El efecto es más sutil. Las interacciones del cuerpo y el fluido son tales que las deformaciones periódicas de la forma del cuerpo dan lugar a un movimiento neto en relación con el fluido, aunque el empuje neto se desvanezca. "
Gran parte del trabajo anterior sobre la natación se ha concentrado en el límite dominado por la fricción, válido para los microorganismos, o en el límite dominado por la inercia, válido para los animales grandes. "En mi modelo, tanto la fricción como la inercia juegan un papel importantela natación se puede estudiar en el régimen intermedio, donde ambos efectos son importantes ", dijo.
En términos de aplicaciones, el modelo de cadena lineal de natación es particularmente útil debido a su estructura delgada y su capacidad para viajar a través de tubos estrechos, como las venas humanas.
"Los biólogos ya han considerado la posibilidad del transporte de fármacos a través de tales medios", dijo Felderhof. "Y ahora hemos desarrollado un modelo matemático que permite optimizar las deformaciones del cuerpo, lo que conduce a la máxima velocidad para una potencia dada. Este métodono se limita a cadenas lineales, por lo que podemos imaginar su aplicación a estructuras más complicadas en el trabajo futuro ".
Primero, Felderhof señala que es importante validar el modelo comparándolo con simulaciones por computadora y experimentos posteriores, lo cual está más allá de su enfoque, por lo que espera que otros investigadores lo sigan.
"La fricción y la inercia no son los únicos efectos que pueden llevar a nadar", dijo Felderhof. "El aleteo conduce al desprendimiento de vórtices y posiblemente a una 'calle' de vórtices. Este efecto está ausente en mi modelo, pero puede ser esencial parala natación de algunos peces y aves voladoras. Será valioso establecer la importancia relativa de la fricción, la inercia y el desprendimiento de vórtices, pero por el momento no veo cómo esto se puede lograr en la teoría analítica. De nuevo, la simulación por computadorasería de ayuda."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :