Design che ispira: i segreti della pelle di squalo Understand article

Tradotto da Attilia Dente. La pelle dello squalo si è adattata per consentire all’animale di nuotare risparmiando energia in modi sorprendenti, alcuni dei quali vengono ora ripresi da designer e ingegneri.

Gli squali hanno da sempre un problema di immagine: in tutto il mondo sono ritratti come dei mostri assetati di sangue. L’esempio più famoso è dato dal film “Lo squalo”. La paura degli squali è molto diffusa, specialmente nelle aree costiere, dove le condizioni ideali per il surf e il nuoto favoriscono anche la presenza degli squali. In tali situazioni, infatti, le parti inferiori bianche della tavola da surf e gli arti costantemente in movimento possono facilmente provocare questi animali, talvolta con conseguenze tragiche.

In realtà, gli attacchi da parte degli squali sono abbastanza rari, e molte specie hanno bisogno loro stesse di protezione dalle attività umane, specialmente dalla pesca. Ben lontani dall’essere soltanto dei mostri cinematografici, gli squali costituiscono un importante gruppo di pesci cartilaginei a sé stante, che comprende circa 360 specie all’interno di 30 famiglie suddivise in otto ordini tassonomici. Le ricerche sugli squali hanno dimostrato come questi animali siano ben adattati all’ambiente che li circonda. In particolare, la loro pelle presenta caratteristiche straordinarie che consente loro di nuotare risparmiando energia. Queste caratteristiche sono state riprese in diversi ambiti tecnologici: dai costumi da bagno agli aeroplani.

Un grande squalo bianco, Carcharodon carcharias
Stefan Pircher / Shutterstock

Struttura aerodinamica

Come si sono adattati gli squali al loro stile di vita? La caratteristica più evidente, che condividono con altre tipologie di pesci, è senza dubbio il corpo aerodinamico che consente loro di nuotare molto velocemente a fronte di un consumo minimo di energia. Il foglio di lavoro allegatow1, fornisce delle istruzioni per condurre un semplice esperimento che permetterà di comprendere come la struttura influenzi la forza necessaria per muoversi tra le acque. Nell’esperimento, adatto per le scuole superiori, con l’aiuto dell’argilla gli studenti modellano delle sagome dello stesso peso, come ad esempio cubi, cuboidi, sfere, cilindri e una sagoma di squalo. Dopodiché eseguono una prova di velocità e confrontano quanto tempo impiega ciascuna sagoma di argilla per raggiungere il fondo di un cilindro alto e pieno d’acqua.

Squamcqual scorre sulla loro superficie. lo dalla loro forma ma anche dai flussi di acqua sulla superficie, allore e cilindri, oltree: seguire il flusso

La locomozione di un animale nelle acque è certamente influenzata non solo dalla sua struttura ma anche dal modo in cui l’acqua scorre sulla sua superficie, motivo per cui i nuotatori agonistici desiderano che la loro pelle e i loro costumi siano quanto più lisci possibili. Se si accarezza la pelle di squalo, si noterà che essa è liscia soltanto in una direzione; nella direzione opposta è invece molto ruvida. È la stessa sensazione che si percepisce se si fanno scorrere le dita su una pigna dall’estremità superiore verso il basso piuttosto che dalla base verso l’alto. Questa differenza nella tessitura è dovuta al fatto che la maggior parte delle specie di squalo presentano sulla superficie delle squame sottili a forma di dente. Queste squame “placoidi” proteggono da parassiti e lesioni. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto dei collegamenti tra la forma precisa di queste squame e lo stile di vita di diverse specie di squali.

Diagramma delle squame placoidi di uno squalo gatto che mostra la loro sagoma a forma di dente
Carolin Zehne
 

Ad esempio, gli squali che vivono vicino alle barriere coralline, come i centrofori della famiglia Centrophoridae, presentano squame lisce, poiché queste li proteggono meglio dall’abrasione meccanica delle rocce. Questo non è il caso dei veloci squali da caccia, come ad esempio il grande squalo bianco (Carcharodon carcharias), lo squalo pelagico (Cacharhinus falciformis) e gli squali martello (Sphyrnidae). Le squame di queste specie presentano un’altra straordinaria caratteristica: dei sottili solchi rialzati o “riblet” (microscanalature) lungo le squame. Queste microscanalature sono allineate in modo da formare solchi minuscoli che scorrono in senso longitudinale lungo il corpo dello squalo. Nonostante le microscanalature siano alte solo un paio di micrometri, gli esperimenti hanno dimostrato che esse sono in grado di ridurre la resistenza aerodinamica, consentendo agli animali di nuotare più velocemente a fronte dello stesso consumo di energia. Di contro, gli squali che nuotano più lentamente, ad esempio gli squali gatto (Scyliorhinidae), presentano meno scanalature sulle loro squame lunghe e appuntite. Qui sotto potete vedere alcune immagini ingrandite di squame di diverse specie di squalo che mostrano la loro sagoma variabile e la struttura microscanalata.

Squalo pinna nera del reef
Science Photo Library / Kinsman, Ted
Squalo martello
Science Photo Library / Kinsman, Ted
Squalo gatto
Rico Dumcke

Fluidodinamica: un’approfondita analisi

In conclusione, come “lavorano” le squame degli squali in combinazione con le microscanalature? Per scoprirlo, abbiamo bisogno di analizzare più attentamente le leggi della fluidodinamica.

Esistono due diverse forme di flussi dinamici: laminari e turbolenti. Nel flusso laminare, il fluido si muove in una sola direzione; le particelle del fluido possono muoversi a velocità differenti in strati differenti, ma gli strati non si fondono mai. Nel flusso turbolente, invece, si generano dei flussi fluttuanti opposti o perpendicolari alla direzione principale del flusso, che producono dei vortici negli strati. In questo caso, le particelle del fluido cambiano continuamente velocità e posizione, generando un consumo di energia.

Quando un pesce (o una nave) si muove nell’acqua, oppure un aereo vola nei cieli, il corpo in movimento è circondato da un mezzo fluido. A causa dell’attrito, le particelle del fluido che sono in contatto con la superficie del corpo si muovono a velocità zero rispetto a quel corpo, mentre, in lontananza, il fluido scorre senza problemi intorno al corpo. Nel mezzo si trova lo strato limite turbolento, dove si verifica la resistenza al movimento.

Flusso turbolento e laminare intorno ad un corpo che si muove nell’acqua. 1: direzione di accelerazione; 2: direzione del flusso; 3: corpo dello squalo; 4: strato limite turbolento; 5: strati del flusso laminare
Carolin Zehne
 

I solchi lineari, come ad esempio le microscanalature degli squali, riducono questa resistenza modificando il flusso nello strato limite. Ciò accade perché, in profondità, all’interno degli avvallamenti tra le microscanalature, la velocità del flusso è inferiore, per cui c’è meno attrito. Vortici ad alta velocità si formano invece all’estremità di queste microscanalature. Tuttavia, poiché la superficie di queste estremità è più piccola rispetto alla superficie dell’intero animale, l’attrito totale si riduce (Dean & Bhusan, 2010). La distanza ottimale tra le microscanalature dipende dalla velocità del movimento, e negli squali essa varia a seconda delle specie.

Opportunità biomimetiche

Simili scoperte sulla pelle di squalo hanno destato l’interesse di ingegneri, tecnologici e biologi – un esempio di potenziali applicazioni “biomimetiche” in cui caratteristiche biologiche hanno trovato applicazione in ambito tecnico.

Molto spesso, la biomimetica è considerata un processo dall’alto verso il basso. Ad esempio, per risolvere un problema ambientale, possiamo cercare un’analogia in natura che ci aiuti a trovare una soluzione, come lo sviluppo degli insetticidi piretroidi, ispirati dal piretro, un insetticida di origine naturale. Di contro, in un processo dal basso verso l’alto, i sistemi biologici vengono analizzati per identificare procedure o strutture che possano essere utili nelle applicazioni tecnologiche. Ne sono un esempio la scoperta delle riblet (microscanalture) sulle squame di squalo, che sono ora fonte di ispirazione per altre superfici che si muovono attraverso i fluidi, come illustrano i seguenti esempi.

Squalo martello – un veloce nuotatore
 Christa Rohrbach / Flickr

Lamine di “riblet” sugli aeroplani

Nel 1989, il costruttore di aeromobili Airbus eseguì un esperimento sui riblet. Il 70-80% della superficie di un Airbus A380 fu ricoperto di lamine metalliche di riblet dalla forma triangolare e appuntita. I test dimostrarono che la lamina era in grado di ridurre l’attrito di fino all’8%, equivalente ad un risparmio di carburante pari a 1-2% in condizioni reali, che consentirebbero ad un volo A380 a lunga distanza di trasportare 4 tonnellate aggiuntive di carico utile. Più recentemente è stata sviluppata una versione a base di polimeri, in cui alla superficie viene applicato un rivestimento e la microstruttura scanalata è dapprima impressa e poi cementata. Il vantaggio di questa versione è che permette di essere più facilmente applicata alle superfici curve.

Scafi delle navi puliti

Sugli scafi delle navi sottostanti l’acqua crescono strati di cirripedi, alghe e altri materiali. Questa accrezione causa un aumento della resistenza aerodinamica e, pertanto, costi di carburante aggiuntivi per l’imbarcazione. I ricercatori hanno dimostrato che se si crea una superficie irregolare, come le squame scanalate sulla pelle degli squali, si ottiene in un anno una riduzione dell’accrezione di circa il 60% e, al tempo stesso, si facilita la rimozione dell’ accrezione, evitando gli effetti dannosi per l’ambiente di alcuni agenti antivegetativi. In modo simile agli aeroplani, le superfici scanalate sulle navi sono in grado di ridurre la resistenza aerodinamica nell’acqua di fino al 10% (Fu et al., 2017).

Nuotare come uno squalo?

Infine, e molto polemicamente, alcuni nuotatori olimpionici hanno scelto di indossare costumi integrali fatti di un materiale in grado di riprodurre l’effetto “riblet”, vincendo medaglie d’oro. Nonostante si dibatta ancora sul contributo a questi trionfi derivante dall’effetto “riblet”, nel 2010 i costumi da bagno integrali furono vietati nelle competizioni. Così, mentre le squame scanalate hanno dato agli squali un vantaggio evolutivo, applicare questo vantaggio al mondo delle competizioni agonistiche è una questione più discutibile.

Ringraziamenti

Gli editori desiderano ringraziare la dott.ssa Katharina Sonnen per i suoi consigli su questo articolo.

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References

Web References

  • w1 – Scarica l’attività didattica dalla sezione dei materiali supplementari.

Resources

  • Per scoprire quanto veloci possano nuotare gli squali e molto altro ancora, consultare il sito di ricerca Elasmo. 
  • Maggiori informazioni sugli sviluppi della tecnologia “riblet” da parte dell’Airbus Group sono ora disponibili sul sito dell’ Airbus Group website

Author(s)

Il prof. Claas Wegner lavora nel dipartimento di Didattica di Biologia presso l’università di Bielefeld, Germania, ed è anche insegnante di biologia ed educazione fisica presso una scuola superiore.

Rico Dumcke insegna biologia e latino presso le scuole superiori. È anche assistente di ricerca presso il dipartimento di Didattica di Biologia dell’università di Bielefeld.  

Nora Tönnesmann studia biologia ed inglese, e insegna presso le scuole superiori. È anche assistente agli studenti presso il dipartimento di Didattica di Biologia dell’università di Bielefeld. 


Review

Il presente articolo collega due discipline diverse: idrodinamica (fisica) e biologia. Le caratteristiche morfologiche degli squali sono descritte in relazione alla fluidodinamica, che consente ai lettori di comprendere come questi fenomeni diversi siano tra loro collegati.

L’articolo, inoltre, fornisce esempi dal mondo ingegneristico, dove lo sviluppo di nuove strutture è stato ispirato da adattamenti biologici.


Bartolome Piza Mir, insegnante di scienze e matematica, Spagna




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