Por qué los elefantes tienen las orejas tan grandes

Hace unos años escribí un artículo en el que estudiaba el comportamiento eléctrico de una persona, que aproximaba por una esfera (la capacitancia mutua de dos objetos depende muy poco de la geometría). Me ha sorprendido agradablemente el artículo de Arunn Narasimhan, “Why do Elephants have Big Ear Flaps?,” Resonance, 13: 638-647, 2008 , que comienza aproximando un elefante por una esfera con objeto de estudiar su transferencia térmica.

Ante todo, ¿por qué los elefantes tienen grandes orejas? Para poder liberar calor de su cuerpo y mantener su temperatura corporal estable. Los elefantes no sudan, como nosotros, y son mucho más grandes que nosotros por lo que su metabolismo genera mucho más calor que el nuestro. El aleteo o palmeo de sus orejas les permite liberar calor de forma eficiente.

Los elefantes y las esferas comparten una propiedad: conforme su tamaño se dobla (el diámetro de la esfera), su superficie crece por cuatro veces y su volumen por ocho. Por ejemplo, una naranja que doble el diámetro de una mandarina tiene ocho veces más zumo.

Los animales de sangre caliente utilizan reacciones químicas exotérmicas para mantener su temperatura (los de sangre fría se calientan al sol, como las lagartijas). Mantener la temperatura corporal constante requiere un mecanismo de termorregulación. Cuando el ambiente es muy frío, hay que evitar que se pierda demasiado calor (por eso se nos ponen las puntas de los dedos pálidas cuando hace frío). Cuando el metabolismo genera más calor del necesario, hay que liberarlo al ambiente (por eso sudamos o buscamos un entorno frío). Un gramo de sudor (preferentemente agua) se evapora absorbiendo (liberando de nuestro cuerpo) unos 2.26 kJ (kilojulios) de energía.

El volumen del elefante es enorme comparado con su área superficial, por ello, los elefantes tienen que liberar un exceso de calor mucho más grande que un humano. ¿Sudan los elefantes? No. La tasa metabólica estándar en un elefante es de 0.82 W/kg (watios por kilogramo) bastante menor que la media para un hombre de 1.2 W/kg. Pero esto no es suficiente. ¿Cómo lo hacen entonces? Los elefantes buscan una sombra y utilizan sus grandes orejas como una enorme placa convectiva que favorece la pérdida de calor por transferencia térmica. Las grandes orejas tienen una estructura de capilares muy empaquetados que les permiten llevar mucha sangre hacia ellas. 

Los elefantes africanos tienen orejas más grandes que los indios, ya que viven en un ambiente mucho más cálido. Un elefante pesa entre 2 y 4 toneladas. Uno de 4 toneladas, mientras se mueve o se alimenta, necesita liberar en forma de calor unos 4.65 kW (kilowatios). Utiliza para ello sus orejas, cuya temperatura adapta a la del entorno mediante vasodilatación, un mecanismo termorregulador del cuerpo por el cual el organismo dilata los vasos sanguíneos con objeto de incrementar o decrecer el flujo de la sangre en cierta región. De esta forma libera calor mediante radiación y convección. La convección depende de si palmea o no con las orejas. La frecuencia de palmeo determina si la convección forzada generada en el aire es laminar o turbulenta.

El autor del artículo estima con un modelo muy sencillo la cantidad de calor que puede liberar el elefante. Los interesados en el modelo, por ejemplo, con fines docentes, disfrutarán de que el artículo es gratuito y fácil de leer. ¿De cuánto calor estamos hablando? Con el modelo del artículo y los datos experimentales obetnidos por Phillips y Heath, para un elefante africano se liberan unos 76.21 W en cada lado de cada oreja o unos 325 W en total, aproximadamente un 25% de su tasa metabólica estándar, unos 1643 W. Esto es poco comparado con otros modelos más complicados publicados previamente en la literatura, que predicen para un elefante africano unos 1500 W (un 91% del total). Aún así, no es una mala estimación.

Artículos relacionados (los dos primeros no los he podido leer, el tercero incluye datos experimentales y el cuarto es una curiosidad, ¿qué pasa con Dumbo?):

P.G. Wright, “Why do elephants flap their ears?,” South African Journal of Zoology, 19: 266-269, 1984. 

P.G. Wright, C.P. Luck, “Do elephants need to sweat,” South African Journal of Zoology, 19: 270-274, 1984.

P.K. Phillips, J.E. Heath, “Heat exchange by the pinna of the african elephant (Loxodonta africana),” Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Physiology, 101: 693-699, 1992.

P.K. Phillips, J.E. Heath, “Heat loss in Dumbo: a theoretical approach,” Journal of Thermal Biology, 26: 117-120, 2001.

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Un rosario de luz en una fibra óptica o cómo se “funde” la fibra óptica (o la belleza de la fibra óptica)

Si un láser inyecta un pulso óptico excesivamente intenso en una fibra óptica convencional, se produce un fenómeno de ruptura en cadena de la fibra (fundición del núcleo, parte central, de la fibra, cual si fuera el cable de un fusible). Lo sorprendente es que empieza a fundirse por el extremo opuesto al láser. A una velocidad de fundición del orden de 1 m/s, se pueden fundir varios kilómetros en pocos minutos. En youtube buscas “fiber fuse” y tienes varios videos muy espectaculares del fenómeno. Arriba tienes un botón de muestra. Más videos los tiene en la página web (en inglés) de TODOROKI Shin-ichi. Te recomiendo su artículo “Two serendipitous episodes — How I embarked on fiber fuse research”, es muy curioso de leer.

Como afirma MiGui: No es sorprendente, verás, la fibra óptica es un medio dieléctrico por lo que conduce mal el calor. En cambio se intenta que tenga pocas pérdidas para que sea eficiente la transmisión, así que poca parte de la energía electromagnética del pulso emitido se pierde a lo largo de su recorrido. Pero claro, al llegar al final hay una discontinuidad brutal entre dos medios dieléctricos: el aire y la propia fibra. Así que ahí se produce una onda reflejada y una transmitida, pero como se trata de un cambio tan abrupto, la energía se acumula y se empieza a deshacer por ese extremo. Si empezase a fundirse al principio, no tendríamos fotónica ni comunicaciones ópticas ni nada por el estilo.

Este interesante fenómeno fue descubierto en 1987 por R. KASHYAP, “Self-propelled self-focusing damage in optical fibres,” Proc. Int. Conf. Lasers, 7-1, 1 December 1987, y publicado en una revista en 1988, R. KASHYAP, and K.J. BLOW, “Observation of catastrophic self-propelled self-focusing in optical fibres,” Electron. Lett., 1988, 24(1) 47-49. Artículos más recientes sobre el tema los tenéis aquí.