Inspiración para diseño: los secretos de la piel del tiburón Understand article

Traducido por David Puga. La piel del tiburón le permite nadar con gran eficiencia energética, gracias a notables adaptaciones que está siendo copiadas por diseñadores e ingenieros.

Los tiburones tienen un problema de imagen: alrededor del mundo, son retratados como monstruos sanguinarios – como en la película ‘Tiburón’. El miedo a los tiburones es común, especialmente en áreas costeras donde las condiciones ideales para nadar y surfear coinciden con la presencia de tiburones. En estos casos, las bases blancas de las tablas de surf y las extremidades en constante movimiento pueden provocar fácilmente a estos animales – potencialmente con consecuencias fatales.

Pero los ataques de tiburones son relativamente raros. Es más, muchas especies de tiburones necesitan ser protegidas de las actividades humanas, sobretodo de la pesca. Lejos de solo ser monstruos del cine, los tiburones forman un grupo importante y diverso de peces cartilaginosos,  que comprende 360 especies en 30 familias y 8 órdenes taxonómicos. Investigaciones han revelado qué tan bien adaptados están los tiburones: particularmente su piel, que tiene características que  les permite nadar usando su energía eficientemente. Éstas características han sido utilizadas en varias áreas tecnológicas, desde trajes de baño hasta aviones.

El gran tiburón blanco, Carcharodon carcharias
Stefan Pircher / Shutterstock

Forma aerodinámica

¿Cuáles son las adaptaciones de los tiburones a su modo de vida? La característica más obvia (que comparten con el resto de peces) es la forma aerodinámica de su cuerpo, que les permite nadar rápidamente con un gasto mínimo de energía. En la hoja de trabajo suplementariaw1, damos las instrucciones para un experimento simple para explorar cómo la forma afecta la fuerza necesaria para moverse en el agua. En el experimento, adecuado para estudiantes de secundaria, los estudiantes hacen formas, como cubos, cuboides, esferas y cilindros – además de la forma de tiburón – utilizando la misma cantidad de pasta para modelar. Luego hacen una prueba de velocidad, comparando cuánto tiempo toma para que cada forma caiga al fondo de un cilindro lleno de agua.

Escamas: dejándose llevar

Desde luego, la locomoción de un animas a través del agua no depende sólo de su forma, sino también de la manera en que el agua fluye en la superficie de su cuerpo – del mismo modo que a los nadadores profesionales les gusta que su piel y su traje de baño sean lo más lisos posible. Si es que acariciases la piel de un tiburón, te darías cuenta de que tan sólo es lisa en una dirección; en la dirección opuesta es muy áspera – como si pasases tus manos por una piña. Esta diferencia se debe a que la mayoría de especies de tiburón tiene el cuerpo cubierto de escamas finas en forma de diente. Estas escamas ‘placoideas’ sirven de protección contra parásitos y lesiones. Además, investigadores han encontrado conexiones entre la forma exacta de estas escamas y el modo de vida de las diferentes especies de tiburones.

Diagrama de las escamas placoideas de un esciliorrínidos, mostrando su forma de diente.
Carolin Zehne
 

Por ejemplo, los tiburones que viven cerca de arrecifes (como el quelvacho, Centrophoridae) tienen escamas lisas, ya que estas los protegen mejores contra la abrasión mecánica de las rocas. Pero este no es el case de los rápidos tiburones que cazan, como el tiburón blanco (Carcharodon carcharias), el tiburón sedoso (Cacharhinus falciformis) o el tiburón martillo (Sphyrnidae). Las escamas de estas especies tienen una característica adicional sorprendente: finas crestas elevadas, o “costillas” a lo largo de la escama. Estas costillas están alineadas para formar pequeñas crestas que recorren el cuerpo del tiburón longitudinalmente. A pesar de que las crestas solo miden unos cuantos micrómetros, se ha demostrado que reducen la fricción cuando el tiburón nada, permitiéndole nadar más rápido usando la misma cantidad de energía. Por otro lado, los tiburones que nadan despacio – por ejemplo, los esciliorrínidos (Scyliorhinidae) – tienen menos crestas en sus largas y punteagudas escamas. Debajo, pueden ver unas imágenes ampliadas de las escamas de diferentes especies de tiburón, mostrando sus formas variadas así como las crestas.

El tiburón punta negra 
Science Photo Library / Kinsman, Ted
Tiburón martillo 
Science Photo Library / Kinsman, Ted
Esciliorrínido
Rico Dumcke

Flujo fluído: una vista de cerca

Entonces, ¿cómo funcionan las escamas y crestas de los tiburones? Para saberlo, tenemos que mirar las leyes de la dinámica de fluidos más de cerca.

Haz dos tipos de flujos dinámicos: laminar y turbulento. En el flujo laminar, el fluido se mueve en una sola dirección; las partículas del fluido pueden moverse a velocidades distintas en los diferentes estratos, pero los estratos no se mezclan. En el flujo turbulento, hay flujos fluctuantes en direcciones distintas al principal, lo cual causa remolinos en los estratos. Aquí, las partículas cambian constantemente de dirección y velocidad, lo cual consume energía.

Cuando un pez (o un bote) se mueve en el agua – o cuando un avión vuela en el aire – el cuerpo en movimiento esta rodeado de un medio fluido. Debido a la fricción, las partículas fluidas en contacto con la superficie del cuerpo se mueven a una velocidad de cero con respecto al cuerpo, mientras que más lejos, el fluido se mueve suavemente alrededor del cuerpo. Entre los dos se encuentra el estrato límite de turbulencia, donde la resistencia al movimiento ocurre.

Flujo turbulento y laminar alrededor de un cuerpo en movimiento en el agua. 1: dirección de aceleración; 2: dirección del flujo; 3: cuerpo del tiburón; 4: estrato límite de turbulencia; 5: estratos de flujo laminar.
Carolin Zehne
 

Crestas lineares como las del tiburón reducen esta resistencia al cambiar el flujo en el estrato límite. Esto se debe a que, en las profundidades entre las crestas, la velocidad de flujo es baja, por lo que hay menor fricción. Pero vórtices de gran velocidad se forman en las puntas de estas crestas; pero porque el área superficial de estas puntas es baja en comparación con la superficie del animal entero, la fricción total se reduce (Dean & Bhusan, 2010). El espacio óptimo entre las crestas depende de la velocidad del movimiento, así que varía entre especies de tiburón.

Oportunidades biomiméticas

Estos descubrimientos sobre la piel de tiburón han atraído el interés de ingenieros y tecnólogos, como también de biólogos – un ejemplo de aplicaciones “biomiméticas” posibles, donde las características biológicas han sido usadas para aplicaciones técnicas.

Frecuentemente, la biomimética es un proceso descendiente. Por ejemplo, para resolver un problema medioambiental, podemos buscar una analogía en la naturaleza para ayudarnos a encontrar una solución – como el desarrollo de los insecticidas pyrethroidos, los cuáles fueron inspirados por el insecticida vegetal natural pyrethrum. Por otro lado, en un proceso ascendiente, los sistemas biológicos son analizados para identificar procedimientos o construcciones que puedan tener alguna aplicación tecnológica útil. El descubrimiento de las crestas de tiburón constituye un ejemplo, y actualmente son usados como inspiración para otras superficies que se mueven a través de fluidos, como el ejemplo siguiente ilustra.

Tiburón martillo – una especie que nada rápido
Christa Rohrbach / Flickr

Crestas laminares en aviones

Incluso en 1989, el fabricante del Airbus llevó a cabo un experimento de crestas- Cubrieron 70-80% de un Airbus A380 con crestas de láminas metálicas de forma triangular puntiaguda. Pruebas mostraron que las láminas reducían la fricción en 8%, equivalente a un ahorro de combustible de 1-2% bajo condiciones del mundo real, lo cual permitiría que un A380 de larga distancia lleve una carga adicional de 4 toneladas. Más recientemente, una versión de polímero ha sido desarrollado, donde el cuerpo es cubierto con el polímero y la microestructura de las crestas es impreso en él, luego se lo deja endurecer. Esta versión tiene la ventaja de ser más fácil de aplicar en superficies curvas.

Manteniendo limpios los cascos de los botes

Cuando los cascos de los botes están sumergidos, percebes, algas y otros materiales biológicos crecen. Esto causa un arrastre adicional y, por lo tanto, costos adicionales de combustible para la navegación. Se ha descubierto que crear una superficie desigual como el de las crestas en la piel del tiburón es de mucha ayuda, ya que disminuye el crecimiento anual en 60% además de facilitar la limpieza (además de evitar los efectos nocivos para el medio ambiente de los agentes antiincrustantes). De manera similar a los aviones, las superficies con crestas en los botes pueden reducir el arrastre del agua en 10% (Fu et al., 2017).

¿Nadando como un tiburón?

Finalmente, y más controversialmente, algunos nadadores olímpicos han optado por usar trajes de baño de cuerpo entero hechos con un material que produce el efecto de las crestas – y luego han ganado medallas de oro. A pesar de que el rol de las crestas en los triunfos aún es controversial, los trajes de baño de cuerpo entero han sido prohibidos desde 2010. Entonces, mientras que las escamas con crestas les han dado una ventaja evolutiva a los tiburones, aplicar estas ventajas al mundo de la natación competitiva es un tema controversial.

Agradecimientos

Los editores quisieran agradecer a la Dra Katharina Sonnen por sus consejos para el artículo

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References

Web References

  • w1 – Descarguen la actividad de apoyo para el salón de clases en la sección de materiales adicionales

Resources

Author(s)

El profesor Claas Wegner trabaja en el Departamente de Didácticas Biológicas de la Universidad de Bielefeld, Alemania, y también es profesor superior de educación física y biología en una escuela secundaria.

Rico Dumcke es un estudiante de master en educación en biología y latín para escuelas secundarias, así como asistente de investigaciones en el Departamente de Didácticas Biológicas de la Universidad de Bielefeld.

Nora Tönnesmann es una estudiante de biología y profesora de inglés para escuelas secundarias, así como asistente de investigaciones en el Departamente de Didácticas Biológicas de la Universidad de Bielefeld.


Review

Este artículo vincula dos disciplinas separadas: hidrodinámica (física) y biología. Las características morfológicas de los tiburones son descritas en relación a la dinámica de fluidos, lo que permite a los lectores entender cómo estos fenómenos distintos están conectados.

El artículo también contiene ejemplos de ingeniería, donde el desarrollo de nuevas estructuras está inspirado por adaptaciones biológicas


Bartolome Piza Mir, profesor de ciencias y matemáticas, España




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