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 impulsándose a sí mismos, pero sin el lujo de la flotabilidad, estas criaturas también luchan por vencer la gravedad para mantenerse en el aire.

Hace más de 20 años, Felderhof estaba estudiando la teoría detrás de la "natación" de los microorganismos, descrito 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 pasarse por alto en la descripción. Para organismos un poco más grandes, sin embargo, este no era el caso.

Desde entonces, Felderhof ha creado modelos mecánicos para desarrollar más plenamente 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 de la masa no puede pasarse por alto para estas estructuras más grandes.

Como Felderhof informa ahora en Física de fluidos , simplemente ha impulsado 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. Con múltiples esferas, sin embargo, la imagen es más compleja y debe tener en cuenta posiciones y orientaciones. "Para 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 sobre cada una de ellas, con la restricción de que la fuerza neta total desaparece en cualquier momento, el sistema todavía ve movimiento. "A pesar de la última limitación, el conjunto de esferas en general realiza un movimiento neto, 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 se desvanece. "La gran esfera se llama 'carga, '", dijo." Piense en ello como un cuerpo grande con pequeños apéndices móviles, o de un barco empujado o tirado por una pequeña hélice ".

Su trabajo proporciona una importante aclaración conceptual de la teoría del flujo. "En las explicaciones populares de nadar y volar, nos dicen que la velocidad se logra mediante un equilibrio de empuje y resistencia, ", Dijo Felderhof." Mis cálculos de modelo, sin embargo, muestran que 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 conducen a un movimiento neto en relación con el fluido, aunque el empuje de la red se desvanezca ".

Gran parte del trabajo anterior sobre natación se ha concentrado en el límite dominado por la fricción, válido para microorganismos, o en el límite dominado por la inercia, valido para animales grandes. "En mi modelo, tanto la fricción como la inercia juegan un papel importante para que la natación se pueda estudiar en el régimen intermedio, donde ambos efectos son importantes, " él 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, esas venas humanas.

"Los biólogos ya han considerado la posibilidad del transporte de medicamentos a través de tales medios, ", Dijo Felderhof." Y ahora hemos desarrollado un modelo matemático que permite la optimización de las deformaciones del cuerpo, que conduce a la velocidad máxima para la potencia dada. Este método no 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, que 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 para la natación de algunos peces y para las aves voladoras. Será valioso establecer la importancia relativa de la fricción, inercia, y desprendimiento de vórtices, pero por el momento no veo cómo se puede lograr esto en la teoría analítica. De nuevo, la simulación por computadora sería útil ".