M6 Locomoción Acuática

Tópico

Los mamíferos acuáticos se propulsan en el agua de dos formas distintas: mediante propulsión por extremidades, como la nutria y el castor, o mediante propulsión ondulatoria de todo el cuerpo, como los cetáceos y las focas.

En ambos modos de propulsión, el arrastre hidrodinámico que el agua opone al avance del cuerpo escala con el cuadrado de la velocidad de nado, y ese arrastre hidrodinámico es lo que domina el costo energético de nadar, mucho más que cualquier otro factor.

Para reducir ese arrastre hidrodinámico, los cetáceos han convergido evolutivamente hacia formas fusiformes, cuerpos alargados y afinados en ambos extremos que minimizan la resistencia del agua: gracias a esa forma fusiforme, el coeficiente de arrastre de un cetáceo cae a valores muy bajos, comparables a los que alcanza un pez, uno de los coeficientes de arrastre más bajos que existen entre los cuerpos que se desplazan por el agua.

Además de escalar con el cuadrado de la velocidad, el arrastre hidrodinámico hace que la potencia de natación necesaria para vencerlo crezca con el cubo de la velocidad de nado: cuanto más rápido nada el animal, más rápido crece la potencia que ese mismo aumento de velocidad le exige, y esa relación tan pronunciada es la que hace que la velocidad óptima de natación termine siendo mucho menor que la velocidad máxima que el animal podría alcanzar en un esfuerzo breve.

En los mamíferos que se propulsan por ondulación del cuerpo, como los cetáceos y las focas, el empuje hacia adelante lo genera principalmente la oscilación de la aleta caudal, un movimiento que se describe con la misma teoría de alas oscilantes que explica cómo un ala en movimiento genera fuerza propulsiva en lugar de solamente sustentación.

La eficiencia con la que esa oscilación de la aleta caudal convierte potencia muscular en empuje está gobernada por el número de Strouhal, el mismo parámetro adimensional que compara la frecuencia y la amplitud de cada ciclo de oscilación con la velocidad de avance del animal: cuando ese número de Strouhal cae dentro del rango entre 0,2 y 0,4, la eficiencia de Froude de la propulsión alcanza sus valores más altos, entre un 0,85 y un 0,95, muy cerca del máximo teórico posible.

El buceo a profundidad le exige a estos mismos mamíferos acuáticos un desafío fisiológico adicional, distinto del arrastre hidrodinámico: a medida que el animal desciende, la presión creciente del agua comprime sus pulmones según la ley de Boyle, la misma ley que describe cómo el volumen de un gas se reduce cuando aumenta la presión que lo rodea. Para sostener el esfuerzo del buceo pese a esa compresión pulmonar, el animal gestiona el oxígeno que ya tenía almacenado antes de sumergirse en la hemoglobina de su sangre y en la mioglobina de su músculo, en lugar de depender de la respiración mientras dura la inmersión.

Volviendo al costo energético de nadar, la velocidad óptima de natación es la que minimiza el costo de transporte, la energía que el animal gasta por cada unidad de distancia recorrida, y esa velocidad óptima resulta de un balance entre dos costos que se mueven en direcciones opuestas: a velocidades bajas, es el costo metabólico basal el que domina el costo de transporte, porque el animal gasta casi la misma energía basal sin importar lo lento que nade; a velocidades altas, en cambio, es el arrastre hidrodinámico —que crece con el cubo de la velocidad— el que domina. El costo de transporte alcanza su mínimo exactamente en el punto donde el arrastre hidrodinámico equivale a un tercio del costo total de nadar.

Esta velocidad óptima de natación, determinada por el balance entre el costo metabólico basal y un arrastre hidrodinámico que crece con el cubo de la velocidad, es la que un mamífero acuático efectivamente adopta durante un desplazamiento largo, ya se propulse por extremidades como la nutria y el castor, o por ondulación del cuerpo y aleta caudal como los cetáceos y las focas, y es la misma velocidad que ese animal debe abandonar temporalmente cuando el buceo a profundidad le exige gestionar, en cambio, la compresión pulmonar y sus reservas de oxígeno en hemoglobina y mioglobina en lugar del costo de transporte de su desplazamiento horizontal.

ID:2614