E6 Locomoción Bentónica y arrastre sobre Sustrato

Tópico

La locomoción bentónica describe los modos de movimiento de los peces que viven y se desplazan sobre el fondo o cerca de él —peces planos como los lenguados y las rayas, góbidos, escorpénidos— y en ella dominan tres tipos de fuerzas que en el nado en agua libre son secundarias: la fuerza de la gravedad, el arrastre viscoso del fluido y la fricción con el propio sustrato. Estos peces se mueven dentro de la capa límite bentónica, una región de alto cizallamiento pegada al fondo donde el perfil de velocidades del agua sigue una ley logarítmica: la velocidad del agua a una altura dada sobre el fondo crece en proporción al logaritmo de esa altura, medida respecto a la rugosidad propia del sustrato, y esa proporción está fijada por la velocidad de fricción bentónica, que a su vez es la raíz cuadrada de cuánto esfuerzo de corte ejerce el fondo sobre el agua que fluye justo encima de él, dividido por la densidad de esa misma agua.

El sustrato, además de imponer ese perfil de velocidades a través de la capa límite bentónica, ejerce dos tipos de fuerzas directamente sobre el cuerpo del pez que se apoya o se desliza sobre él: una fuerza normal, el empuje reactivo que el fondo ejerce hacia arriba sobre el pez, y una fuerza de fricción tangencial que aparece cuando el pez se desplaza deslizándose sobre esa superficie.

La presión hidrodinámica se distribuye de forma distinta entre la superficie dorsal y la superficie ventral del pez cuando este nada muy cerca del fondo, un fenómeno conocido como efecto suelo, y esta diferencia de presión modifica de forma significativa tanto el arrastre como la sustentación hidrodinámica del pez respecto de lo que experimentaría nadando en espacio libre, lejos del fondo. Tanto el arrastre como la sustentación generados por este efecto suelo dependen de la densidad del fluido, del cuadrado de la velocidad de nado y del área que el cuerpo del pez proyecta sobre el fondo, multiplicados por un coeficiente propio de cada fuerza que a su vez depende de la razón entre la altura del pez sobre el fondo y la semilongitud de su cuerpo. Cuando esa razón cae por debajo de un medio, es decir, cuando el pez nada a una altura menor que la mitad de la longitud de su propio cuerpo, la sustentación generada por el efecto suelo puede volverse negativa, porque el fluido se acelera al pasar por el espacio estrecho bajo el cuerpo del pez y genera una succión que lo adhiere al sustrato en vez de separarlo de él.

Esa fuerza de fricción tangencial que el sustrato ejerce sobre el pez, cuando el pez se desliza sobre el fondo, sigue la misma ley de Coulomb que describe la fricción entre cualquier par de superficies: es proporcional a un coeficiente de fricción propio del sustrato, multiplicado por la fuerza normal neta que el pez ejerce contra el fondo, es decir, el peso del pez menos la sustentación que genera el efecto suelo descrito antes y menos el empuje de flotación que el agua ejerce sobre su cuerpo.

Los peces que reptan sobre el fondo usando aletas pectorales modificadas, cuyos radios musculados actúan como si fueran patas, generan fuerzas de impulsión contra ese mismo fondo en cada ciclo de apoyo de sus aletas, un mecanismo que puede modelarse como una locomoción de múltiples puntos de contacto sostenida por fricción estática contra el sustrato. La potencia que este tipo de locomoción bentónica por reptación exige del pez es proporcional a la suma del arrastre generado por el efecto suelo y la fuerza de fricción con el sustrato descritos antes, multiplicada por la velocidad con la que el pez repta sobre el fondo.

El régimen de flujo dentro de esta misma capa límite bentónica se caracteriza, como en cualquier otro flujo, por un número de Reynolds propio de esa capa, que depende de la velocidad del agua junto al fondo, del espesor de la propia capa límite y de la viscosidad cinemática del fluido.

El comportamiento esperado es que la eficiencia energética de la locomoción bentónica resulta sustancialmente menor que la del nado en agua libre, precisamente por las pérdidas de fricción con el sustrato descritas a lo largo de este modelo, pero que el mismo efecto suelo que puede generar succión y adherencia también puede jugar a favor del pez: en los peces planos bien adaptados a la vida bentónica, ese efecto suelo llega a reducir el arrastre efectivo hasta en un treinta por ciento respecto del que enfrentarían nadando lejos del fondo, dentro de la misma capa límite bentónica descrita al comienzo de este modelo como el entorno físico distintivo de esta forma de locomoción.

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