E7 Reducción de Roce

Tópico

La reducción de arrastre en los peces es un campo que integra la tribología de superficies, la mecánica de fluidos de la capa límite y la biología de los tejidos del pez. Los peces han desarrollado varias estrategias físicas para minimizar el arrastre que enfrentan al nadar: un recubrimiento de moco que modifica el comportamiento del fluido dentro de la capa límite, escamas con microestructuras superficiales parecidas a las de los tiburones, un cuerpo de forma fusiforme que minimiza el aumento adverso de presión a lo largo del cuerpo, y un control activo de la rigidez de la piel que suprime la aparición de turbulencia.

El arrastre total que un cuerpo en movimiento enfrenta dentro de un fluido, incluido el cuerpo del pez, tiene dos componentes distintos: el arrastre de fricción, que resulta de integrar el cizallamiento viscoso sobre toda la superficie del cuerpo que está en contacto con el agua, y que domina en cuerpos de forma esbelta como la de la mayoría de los peces; y el arrastre de presión o de forma, que resulta de la diferencia de presión entre la parte delantera y la parte trasera del cuerpo, y que domina en cuerpos de forma más roma. El arrastre de fricción depende de la densidad del fluido, del cuadrado de la velocidad de nado, del área de la superficie mojada del cuerpo y de un coeficiente de fricción propio de ese cuerpo.

Ese coeficiente de fricción, cuando la capa límite alrededor del cuerpo del pez es laminar, decrece con la raíz cuadrada del número de Reynolds del cuerpo, según la correlación de Blasius: cuanto más alto es ese número de Reynolds, menor es el coeficiente de fricción laminar. Si la capa límite hace la transición a un régimen turbulento, ese mismo coeficiente de fricción aumenta típicamente entre cinco y diez veces para el mismo número de Reynolds, y a partir de ahí decrece de forma mucho más lenta con el número de Reynolds que en el régimen laminar, según la correlación de Prandtl y Schlichting para capas límite turbulentas.

Dentro de esa misma capa límite laminar, su espesor crece a lo largo del cuerpo del pez en proporción a la distancia recorrida desde el borde delantero, mediada por la raíz cuadrada del número de Reynolds local en cada punto, de modo que el espesor de la capa límite crece más lento que la propia distancia recorrida sobre el cuerpo.

El moco que secreta la epidermis del pez es un fluido no newtoniano y viscoelástico que actúa como un aditivo reductor de arrastre del mismo tipo que el efecto Toms: al modificar la estructura de la turbulencia justo junto a la pared del cuerpo, ese moco puede reducir el arrastre de fricción hasta en un sesenta por ciento respecto del arrastre que enfrentaría el mismo cuerpo en agua pura, sin moco. Esa reducción se cuantifica comparando el coeficiente de fricción del pez cubierto de moco con el coeficiente de fricción que tendría en agua pura: cuanto mayor es esa diferencia relativa entre ambos coeficientes, mayor es la reducción de arrastre que el moco logra.

Las microestructuras de las escamas ctenioides mencionadas al comienzo de este modelo funcionan de un modo distinto al del moco: forman canales alineados con la dirección del flujo, semejantes a las estrías que reducen el arrastre en la piel de los tiburones, y esos canales reducen la interacción entre los pequeños vórtices que se forman justo junto a la pared del cuerpo y esa misma pared, logrando reducciones de arrastre de entre un cinco y un diez por ciento.

El arrastre de presión o de forma del cuerpo fusiforme del pez, mencionado también al comienzo de este modelo, depende de la densidad del fluido, del cuadrado de la velocidad de nado, del área frontal del cuerpo y de un coeficiente de arrastre de presión propio de esa forma fusiforme, que es precisamente la forma que minimiza este componente del arrastre total.

El arrastre total del pez es la suma del arrastre de fricción y del arrastre de presión descritos a lo largo de este modelo, y el coeficiente de arrastre neto del pez se obtiene normalizando ese arrastre total por la presión dinámica del flujo y por el área frontal del cuerpo. El comportamiento esperado es que, gracias a la combinación de todas las estrategias de reducción de arrastre descritas al comienzo de este modelo —el moco, las microestructuras de las escamas, el cuerpo fusiforme y el control activo de la rigidez de la piel— el arrastre total de un pez resulta entre dos y cinco veces menor que el de un cuerpo rígido equivalente, del mismo volumen y a la misma velocidad de nado.

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