Con amenazas de aumento del nivel del mar, marejada ciclónica y otros desastres naturales, Los investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Computación de la Florida Atlantic University están recurriendo a la naturaleza para proteger a los humanos de la naturaleza. Están desarrollando formas innovadoras de proteger las costas y prevenir el desgaste y la erosión de las olas y las tormentas utilizando materiales bioinspirados que imitan los árboles de manglar que se encuentran a lo largo de las costas. ríos y estuarios en los trópicos y subtrópicos. Creciendo de una maraña de raíces que se retuercen del barro, los árboles de mangle protegen naturalmente las costas, protegen los hábitats de los ecosistemas costeros y proporcionan una importante filtración de agua. En muchos casos, estas raíces atrapan los sedimentos que fluyen por los ríos y fuera de la tierra, ayudando a estabilizar la costa.

Ciertos sistemas de raíces de manglares incluso tienen la capacidad de disipar la energía de las mareas a través de flujos hidrológicos únicos y desviar la energía del agua en diferentes direcciones, lo que reduce el riesgo de daños costeros. Todavía, hasta la fecha, pocos estudios han examinado la dinámica de fluidos, como la estructura del flujo y la fuerza de arrastre en las raíces de los manglares.

Para un estudio publicado en la revista de la American Physical Society, Fluidos de revisión física , los investigadores destacaron el árbol de mangle rojo ( Rhizophora mangle ) de más de 80 especies diferentes de manglares, debido a su robusta red de raíces que puede soportar condiciones ambientales extremas. El manglar rojo brindó a los investigadores un modelo ideal para aplicaciones costeras bioinspiradas.

"Debido a sus sólidas estructuras, los manglares han sobrevivido por más de 8, 000 años, "dijo Amirkhosro Kazemi, Doctor., autor principal del estudio y becario postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Oceánica de la FAU, quien recibió una beca de la Fundación Link y está trabajando con Oscar Curet, Doctor., coautor y profesor asistente en el departamento. "Lo realmente sorprendente de los manglares es que pueden adaptarse a los cambios en el aumento del nivel del mar formando estructuras ascendentes a través de un proceso natural de acumulación de capas de lodo transportadas por las mareas y otras fuentes. Es su sistema de raíces en particular lo que contribuye a esta resiliencia y es lo que nos inspiró a investigar su compleja hidrodinámica ".

Para comprender mejor la resiliencia del árbol de manglar y la dinámica de fluidos de sus raíces, Kazemi, Cureta, y Keith Van de Riet, Doctor., coautor y profesor asistente en la Universidad de Kansas, modeló las complejas raíces del manglar como una red de cilindros circulares llamada parche. Realizaron una serie de experimentos variando parámetros clave como la escala de longitud y la porosidad o flexibilidad. Utilizaron un túnel de agua y visualización de flujo para determinar cómo el diámetro de la raíz, su flexibilidad y la porosidad de los manglares afectan el agua. Estudiaron las raíces del manglar bajo diferentes condiciones de flujo para cuantificar cómo la estructura del flujo interactuaría con el manglar.

Observaron el efecto de la porosidad y las medidas de espaciado entre las raíces, prueba de fuerza y ​​velocidad en un túnel de agua, y visualización de flujo 2-D realizada al mismo tiempo.

Los investigadores realizaron mediciones directas de la fuerza de arrastre y velocimetría de imágenes de partículas de alta resolución para caracterizar la compleja estructura de estela inestable posterior a las matrices del parche. que representa un modelo simplificado de raíz de manglar.

Los resultados del estudio muestran que para raíces rígidas, la fuerza de arrastre varió linealmente con el diámetro del parche y el espacio entre las raíces. Para raíces flexibles, Los investigadores descubrieron que una disminución de la rigidez aumentaba tanto la resistencia del parche como el déficit de estela detrás del parche de manera similar al aumento del bloqueo del parche. Han introducido una nueva escala de longitud (diámetro efectivo) basada en la firma de estela para caracterizar el coeficiente de arrastre ejercido sobre el parche para diferentes porosidades. El diámetro efectivo incorpora la porosidad del parche, disposición y diámetro de la raíz individual en el parche. Los resultados han demostrado que el diámetro efectivo del parche disminuye a medida que aumenta la porosidad, dando lugar al número de Strouhal, utilizado en el análisis dimensional que es un número adimensional que describe los mecanismos de flujo oscilante.

"Con casi 2.400 millones de personas en todo el mundo que viven a 60 millas de una costa oceánica, esta investigación es extremadamente importante para las costas vulnerables no solo en Florida sino en todo el mundo, "dijo Stella Batalama, Doctor., decano de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Computación de la FAU. "Mejorar nuestra comprensión de la hidrodinámica de las raíces de los manglares ayudará a facilitar la incorporación de estructuras bioinspiradas similares a los manglares que se pueden utilizar para el control de la erosión, protección costera, y reconstrucción del hábitat ".

Aunque muchas áreas bajas tienen protección contra marejadas ciclónicas, como malecones, estas estructuras son caras de construir, causar su propio conjunto de preocupaciones ambientales, y obstruir el paisaje natural. La información de este estudio tiene el potencial de ayudar a los científicos e ingenieros a desarrollar métodos para diseñar estructuras costeras resilientes bioinspiradas. Las costas naturales son flexibles, barato, y ajustable, y el prototipo que han desarrollado los investigadores es escalable, más pequeño y más simple de usar, así como más rentable. Su modelado sistemático proporciona el marco para diseñar estructuras similares a manglares para la protección costera.

"Nuestros hallazgos podrían potencialmente usarse para construir bancos de manglares artificiales para áreas costeras. Por ejemplo, nuestro trabajo experimental podría incluso aplicarse en un flujo de marea uniforme donde el agua fluye constantemente como resultado del aumento del nivel del mar, ", dijo Kazemi." Actualmente estamos trabajando en un nuevo modelo que nos permitirá comprender el flujo en un diseño más complejo ".