Modelo biomecánico explica cómo se entierra una navaja en la arena húmeda de la playa

Paseando al amanecer por la orilla de la playa de Bolonia, Tarifa (España), he observado de vez en cuando agujeros en la arena y cómo los del lugar extraen de ellos navajas, moluscos lamelibranquios cuya concha se compone de dos valvas simétricas alargadas a modo de las cachas de la navaja. Más tarde, he degustado dichas navajas en los chiringuitos anejos. Cómo hará un agujero en la arena una navaja (Ensis directus). Los ingenieros biomecánicos norteamericanos Sunghwan Jung, Amos G. Winter y A. E. Hosoi me contestan en un reciente artículo. La navaja se entierra gracias a deformaciones de su cuerpo para reblandecer la arena y luego penetrar en ella a modo de barrena. Los biólogos seguramente ya conocerán los detalles etológicos, pero un modelo biomecánico revela que el secreto es el cuerpo alargado de la navaja y las dos valvas móviles que se abren y cierran gracias a los movimientos sinuosos del cuerpo del animal. El nuevo modelo matemático aproxima el cuerpo y la cabeza del animal por un cilindro y una esfera ambos de radio variable, que varían de forma sinusoidal logrando un movimiento unidireccional del animal. La ventaja de un modelo matemático es que permite estudiar qué parámetros influyen en la eficiencia del barrenado del animal. La velocidad máxima de barrenado depende de la razón de aspecto (diámetro/longitud) del animal. El modelo indica que la máxima velocidad se obtiene para un valor de 1/3 (si se asume que la arena es un medio granular con una gran viscosidad. Sin embargo, las navajas tienen una razón de aspecto mayor de 1/6. Según los autores, o el modelo es muy simple y no tiene en cuenta correctamente las propiedades de la arena húmeda, o las navajas no han evolucionado para maximizar la velocidad de barrenado. En resumen, un modelo que puede ser presentando por muchos profesores de física (y de mecánica de fluidos) a sus alumnos como ejercicio curioso, disponible gratuitamente en Sunghwan Jung, Amos G. Winter, A. E. Hosoi, “Dynamics of digging in wet soil,” ArXiv, submitted on 1 July 2010.

Por cierto, los lectores habituales se acordarán de que ya hablamos en este blog de “la biomecánica de un lagarto que bucea a través de la arena del desierto,” el 17 de julio de 2009, al hilo de un artículo publicado en Science (incluía vídeos que vuelvo a recomendar). Parece que cuando se acerca el verano nos viene a la memoria la arena de la playa y la sombra de los chiringuitos. Os recomiendo también la lectura del artículo Takashi Shimada et al., “Swimming in granular media,” Physical Review E 80: 020301, 7 August 2009 [copia gratis]. Artículos que podréis disfrutar en una hamaca bajo la sombra de una sombrilla y escuchando de fondo a Janine Jansen interpretando de forma prodigiosa a Antonio Vivaldi (os adjunto versión en youtube).

Delfines, paradoja de Gray y visualización de fluidos en tiempo real

Timothy Wei nos cuenta cómo funciona la DPIV (para nadadores humanos).

¿Cómo visualizar en tiempo real el flujo de fluido alrededor de un cuerpo en movimiento? Pongamos por ejemplo, alrededor de Michael Phelps o de un delfín. La técnica más avanzada es la DPIV (Digital Particle Image Velocimetry) que consiste en “sembrar” el fluido con pequeñas partículas cuyo movimiento, con el fluido es grabado mediante una cámara digital CCD (charge-coupled device camera). En la técnica DPIV se pueden medir las velocidades en 3D si se utilizan dos cámaras (visión estereoscópica). El artículo “Velocímetro de partículas basado en imágenes digitales,” de J.D. Martínez-Ramírez y F.J. González, explica en español la técnica.

Yae Eun Moon, Erica Sherman, Frank Fish, Terrie Williams, Timothy Wei, “DPIV measurements of dolphins performing tailstands,” November 24, 2008 , presentan la aplicación de la técnica DPIV para analizar el flujo alrededor de un nadador (humano o delfín). En concreto han estudiado el flujo alrededor de un delfín que se pone vertical sólo sujetado por su cola. El delfín logra levantarse y “caminar” por encima del agua gracias a oscilaciones rápidas y fuertes de su cola. El método permite al grupo del Dr. Wei estimar las fuerzas que es capaz de generar el delfín. Los datos demuestran claramente que los delfines pueden producir un empuje vertical del orden de su propio peso, mucho más de lo necesario para elevarse por encima del agua. La musculatura del delfín es más poderosa de lo que se pensaba.

En la Universidad del Dr. Wei se han hecho eco de este artículo en su página de noticias ““Gray’s Paradox” Solved: Researchers Discover Secret of Speedy Dolphins,” centrándose en la “resolución” de la llamada paradoja de Sir James Gray, biológo británico que 72 años creyó que era imposible que los delfines nadaran tan rápido como lo hacen ya que sus músculos se suponía que eran incapaces de generar tanta potencia mecánica. Las noticia viene acompañada de un vídeo ilustrativo en el que se observa el campo de fluido alrededor de un delfín llamado Primo (el vídeo merece la pena). Resolver una “paradoja” suena muy bien y muchos medios se han hecho eco de la noticia, como The Daily Galaxy, “The Dolphin Paradox: New technology helps disprove 72-year-old scientific mystery.” En español la noticia me ha llegado gracias a Menéame, donde mezvan nos resume dicha noticia en “Científicos resuelven la famosa “Paradoja de los Delfines”.” Los delfines tienen algo que atrae a la gente. ¿Qué será?