Inspiració de disseny: els secrets de la pell del tauró Understand article

Traduït per Aina Pi Roig. La pell del tauró està adaptada per a nedar d’una forma energèticament eficient de notables maneres, algunes de les quals són ara copiades per dissenyadors i enginyers.

Els taurons tenen un problema d’imatge: arreu del món, són retratats com a monstres sanguinaris – el cas més famós en la pel·lícula ‘Jaws’. La por als taurons és comú, especialment en àrees costaneres on les condicions ideals per a fer surf o nedar coincideixen amb la presencia de taurons. En aquestes situacions, la part inferior blanca de les taules de surf i el moviment constant de les extremitats pot fàcilment provocar aquests animals – amb conseqüències potencialment tràgiques.

De fet, els atacs de taurons són relativament rars i moltes espècies de tauró necessiten ser protegides de les activitats humanes, especialment la pesca. Lluny de ser monstres de pel·lículesm els taurons formen un grup important i divers de peixos cartilaginosos, que comprenen 360 espècies amb 30 famílies en vuit ordres taxonòmics. La recerca en taurons ha revelat com de ben adaptats estan: en particular, la seva pell té característiques notòries que ajuda als taurons a nedar en una manera energèticament eficient. Aquestes característiques s’han utilitzat en diferents àrees tecnològiques, des de banyadors fins a avions.

Exemplar de tauró blanc, Carcharodon carcharias
Stefan Pircher / Shutterstock

Forma aerodinàmica

  Com s’han adaptat els taurons al seu estil de vida? El tret més obvi (el qual comparteixen amb altres peixos) és la forma aerodinàmica del seu cos, que els permet nedar molt ràpid amb la mínima energia. En el full de treball suplementari w1, donem les instruccions per a un experiment simple per a explorar com la forma afecta la força requerida per a moure’s a través de l’aigua. En aquest experiment, adequat per a instituts de secundària, els estudiants fan formes, inclouen cubs, cuboides, esferes i cilindres – i una fora de tauró – de la mateixa massa d’argila i fan un experiment de velocitat, comparant quan de temps triga cada forma en caure al fons d’un cilindre ple d’aigua.

Escates: deixar-se endur

Evidentment, la locomoció d’un animal a través de l’aigua està influenciat no només per la seva forma, però també per com l’aigua flueox per sobre la seva superfícies, de la mateixa manera com els nedadors professionals volen tenir la seva pell i banyador el més llisos possible. Si acariciessis la pell d’un tauró, t’adonaries que és llisa només en una direcció; en la direcció oposada és molt aspre – com si passessis els dits al llarg d’una pinya des de la punta cap avall enlloc de des de la base cap amunt.  Aquesta diferència en textura és degut que la majoria d’espèices de taurons tenens escates fines i en forma de dent cobrint tot al a seva superfície. Aquestes escates ‘placoidees’ protegeixen contra els paràsits i lesions. A més, els investigadors han trobat connexions entre la forma exacta d’aquestes escates i l’estil de vida de les diferents espècies de tauró.

Diagrama de les escates placoidees en un tauró gat, mostrant la seva forma de dent.
Carolin Zehne
 

Per exemple, els taurons que viuen a prop dels esculls (com el gutxo brut, Centrophoridae) tenen escates suaus, ja que aquestes els protegeixen millor de les abrasions mecàniques causades per roques. Aquest no és el cas dels taurons caçadors de natació ràpida, com el tauró blanc (Carcharodon carcharias), tauró sedós (Cacharhinus falciformes) i el peix martell (Sphyrnidae). Les escates d’aquestes espècies tenen una característica addicional sorprenent: fines crestes elevades o ‘crestes’ al llarg de l’escata. Aquestes crestes estan alineades per formar petites crestes que van en sentit longitudinal al llarg del cos del tauró. Malgrat les crestes només mesuren uns pocs micròmetres, els experiments mostren que redueixen la fricció mentre el tauró neda, permetent que nedi més ràpid utilitzant la mateixa quantitat d’energia. Per altra banda, els taurons neden de manera lenta – per exemple, els esciliorínids (Scyliorhinidae) – tenen menys crestes en les seves llargues i punxegudes escates.

Tauró de puntes negres dels esculls
Science Photo Library / Kinsman, Ted
Peix martell
Science Photo Library / Kinsman, Ted
Tauró gat
Rico Dumcke

Flux fluid: una mirada més propera

Aleshores, com funcionen les escates i les crestes dels taurons? Per a saber-ho, necessitem mirar-nos les lleis de la dinàmica de fluids més de prop.

Hi ha dues formes diferents de fluís dinàmics: laminar i turbulent. En el flux laminar, el fluid es mou en una sola direcció; les partícules del fluid poden moure’s a diferents velocitats en diferents capes, per les capes no es barregen. En el flux turbulent, tanmateix, hi ha fluxos fluctuants contra o a través de la principal direcció del fluid, que causen remolins en les capes. Aquí, les partícules fluides canvien constantment la seva posició i velocitat, la qual cosa consumeix energia.

Quan un peix (o vaixell) es mou en l’aigua – o un avió vola en l’aire – el cos que es mou està envoltat per un medi fluid. Degut a la fricció de les partícules fluides que estan en contacte amb la superfície del cos es mouen a una velocitat relativa zero respecte al cos, mentre més enllà, el fluid flueix suaument al voltant del cos. Entremig hi ha la capa límit de turbulència, on es produeix la resistència al moviment.  

Flux turbulent i laminar al voltant d’un cos  movent-se en l’aigua. 1: direcció d’acceleració; 2:direcció del fluid; 3: cos del tauró; 4: capa límit de turbulència; 5: capes de fluid laminar.
Carolin Zehne
 

Les crestes linears com les dels taurons redueixen la resistència al canviar el flux en l’estrat límit. Això és degut a que en les profunditats entre crestes, la velocitat del flux és baixa, i per tant hi ha menys fricció. No obstant, a les puntes d’aquestes crestes es formen vòrtex d’alta velocitat; però com que la superfície d’aquestes puntes és petita comparada amb la de tot l’animal, la fricció total es veu reduïda (Dean & Bhusan, 2010). L’espaiament òptim entre crestes depèn de la velocitat de moviment, de manera que en els taurons varia segons l’espècie.

Oportunitats biomimètiques

Aquests descobriments sobre els taurons han atret l’interès d’enginyers i tecnòlegs, així com també de biòlegs – un exemple de les potencials aplicacions biomimètiques, on s’ha vist que les característiques biològiques poden tenir aplicacions tècniques.

Sovint, la biomimètica pren un enfocament descendent. Per exemple, per resoldre un problema experimental, podem buscar una analogia al la natura per ajudar-nos a trobar una solució – com el desenvolupament dels insecticides piretroides, que s’han inspirat en l’insecticida natural piretrum present en plantes. Per altra banda, en un procés ascendent, els sistemes biològics són analitzats per a identificar diferents procediments o interpretacions que podrien tenir alguna aplicació tecnològica útil. El descobriment de les crestes de les escates dels taurons n’és un cas, i aquestes ara són emprades com  inspiració per a altres superfícies que es mouen a través del fluids, com mostren els següents exemples.

Peix martell – una espècie de natació ràpida
Christa Rohrbach / Flickr

Làmines d’alumini en avions

El 1989, el fabricant d’avions Airbus va dur a terme un experiment de làmines. Van cobrir un 70-80% d’un Airbus A380 amb crestes d’alumini, amb les crestes en forma de triangles punxeguts. Les proves van mostres que l’alumini reduïa la fricció fins a un 8%, que equival a un estalvi d’un 1-2% del combustible sota condicions reals, que permetrien que un vol A380 de llarga distància pogués transportar 4 tones de càrrega addicional. Més recentment, s’ha desenvolupat un polímer on s’aplica un recobriment a la superfícies on s’hi imprimeix la microestructura de les crestes, i posteriorment és endurida. Aquesta versió presenta l’avantatge de ser més fàcil d’aplicar en superfícies corbes.

Mantenir els cascs dels vaixells nets

Els cascs dels vaixells que es troben sota l’aigua acumulen capes de creixement biològic dels percebes, algues i altres materials. Aquesta acreció causa un increment en l’arrossegament i per tant un cost addicional en el combustible. La investigació ha mostrat que la creació d’una superfície irregular com les crestes de les escates de la pell dels taurons és altament beneficiós, ja que no només redueix tant el creixement anual en un 60%, sinó que també permet netejar el creixement més fàcilment ( a més d’evitar els efectes nocius d’alguns agents antiincrustants). De manera similar als avions, les superfícies amb crestes en els vaixells permeten reduir l’arrossegament en l’aigua fins a un 10% (Fu et al., 2017).

Nedar com un tauró?

Finalment, i de manera més polèmica, alguns nadadors olímpics han escollit utilitzar banyadors de cos sencer, fets de materials que presenten aquest efecte de les cretes, i han guanyat medalles d’or. Malgrat que la contribució de l’efecte de les crestes a aquests triomfs és encara un aspecte controvertit, els banyadors de cos sencer van ser prohibits de la competició el 2010. Per tant, mentre que les crestes de les escates han donat un avantatge evolutiu als taurons, l’aplicació d’aquest avantatge en el món de la natació de competició és un tema molt més qüestionable.

Agraïments

Els autors voldrien agrair a la Dra. KAtharina Sonnen els seus consells sobre l’article.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Descarregar la classe de l’activitat de suport de la secció de materials addicionals.

Resources

Author(s)

El professor Claas Wegner treballa al Departament de Biologia Didàctica a la Universitat de Bielefeld, Alemanya, i és també un professor sènior de biologia i educació física a l’escola secundària.

En Rico Dumcke és un estudiant de màster d’ensenyament de biologia i llatí a escoles de secundària, i un assistent de recerca al Departament de Biologia Didàctica de la Universitat de Bielefield.

La Nora Tönnesmann és una estudiant de biologia i anglès per a escoles de secundària, i una assistent als estudiants al Departament de Biologia Didàctica a la Universitat de Bielefeld.


Review

Aquest article connecta dues disciplines diferents: la hidrodinàmica (física) i la biologia. Les característiques morfològiques dels taurons són descrites en relació amb la dinàmica de fluids, que permet al lector entendre com aquests fenòmens estan connectats.

L’article també presenta exemples de l’enginyeria, on el desenvolupament de noves estructures està inspirada en adaptacions biològiques.


Bartolome Piza Mir, mestre de matemàtiques i ciències, Espanya




License

CC-BY