La paradoja de la hidrodinámica del pez cofre amarillo

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El pez cofre amarillo (Ostracion cubicus) es fácil de reconocer en un arrecife de coral. Tóxico, libera ostracitoxina cuando se siente amenazado, tiene un cuerpo en forma cúbica. ¿Por qué esa forma? Se pensaba que para lograr estabilidad y reducir el arrastre hidrodinámico. Por ello su forma inspiró el coche Mercedes-Benz Bionic (2005, DaimlerChrysler AG). En la publicidad se anuncia que este coche tiene una forma cúbica porque reduce el arrastre aerodinámico. Sin embargo, un nuevo artículo afirma todo lo contrario. La forma cúbica de estos peces incrementa el arrastre hidrodinámico y provoca la aparición de vórtices que desestabiliza el movimiento del agua. ¿Para qué les sirve entonces a los peces? Para facilitar su maniobrabilidad.

Este interesante resultado se ha publicado en S. Van Wassenbergh, K. van Manen, T. A. Marcroft, M. E. Alfaro, E. J. Stamhuis, «Boxfish swimming paradox resolved: forces by the flow of water around the body promote manoeuvrability,» J. R. Soc. Interface 12: 20141146, 10 Dec 2014. Más información en Stacy C. Farina, Adam P. Summers, «Biomechanics: Boxed up and ready to go,» Nature 517: 274-275, 15 Jan 2015.

Dibujo20150115 Geometry of the models - 3D  surfaces - R triqueter - O cubicus - interface

Los autores han usado modelos 3D en túneles hidrodinámicos y simulaciones por ordenador mediante dinámica de fluidos computacional (CFD). Han estudiado dos especies de peces relacionadas: el chapín baqueta (Rhinesomus triqueter; a veces clasificado como Ostracion triqueter) y el pez cofre amarillo (Ostracion cubicus). La piel de los peces cofre amarillos actúa como un caparazón rígido que les dota de su forma cúbica. La mayoría de los peces maniobran curvando la parte trasera de su cuerpo. Sin embargo, el caparazón del pez cofre amarillo no se lo permite, por lo que debe mover sus aletas pectorales y pélvicas, ayudado por la cola. La posible ganancia ganancia en estabilidad hidrodinámica que puede obtener gracias a su forma implica una gran pérdida de maniobrabilidad. Sin embargo, las observaciones en arrecifes indican que no tienen ningún problema, son muy maniobrable, siendo capaces de hacer giros de hasta 180 grados. ¿Cómo es posible esta paradoja?

Dibujo20150115 Flow domain mesh boundary conditions and coordinate system used for CFD - O cubicus - interface

La mayoría de los estudios se habían centrado en el flujo hidrodinámico alrededor de las quillas que dan forma cúbica al cuerpo. Estas quillas crean vórtices que generan turbulencia ayudando a la estabilidad del pez con un coste bajo en consumo energético. Los estudios de modelos 3D con caparazones rígidos en tanques hidrodinámicos permitieron visualizar estos vórtices y permiten demostrar que producen fuerzas que estabilizan el movimiento del pez. La paradoja parecía cada vez más paradójica.

Dibujo20150115 CFD results for R triqueter at a 20 deg pitch angle - interface

El nuevo estudio de Van Wassenbergh y sus colegas ha estudiado el flujo alrededor de todo el cuerpo del pez, no sólo alrededor de las quillas. El resultado es que la forma cúbica del cuerpo del pez tiene un efecto desestabilizador. Más aún, han cuantificado este efecto y resulta ser el doble que el efecto estabilizador encontrado alrededor de las quillas. Estos resultados apuntan a que la forma cúbica del pez ayuda a su maniobrabilidad en el agua, resolviendo la paradoja de un plumazo.

Dibujo20150115 CFD results for O cubicus at a 20 deg pitch angle - interface

Los vórtices que se generan en las quillas del caparazón producen fuerzas estabilizadoras mucho menores que las fuerzas desestabilizantes que se producen en las parte frontal del caparazón. Gracias a estas fuerzas desestabilizadoras el pez cofre amarillo logra la gran maniobrabilidad que la caracteriza en la Naturaleza. Los modelos numéricos usando CFD corroboran estas conclusiones. Por supuesto, el nuevo descubrimiento tiene aplicaciones en ingeniería biomimética. Hay que recordar que los aviones de combate más maniobrables, como el F-117 Nighthawk, también tienen una forma que los hace dinámicamente inestables.

Dibujo20150115 mercedes-benz bionic concept vehicle - world car fans com

Te preguntarás, si esto es así, ¿la publicidad de Mercedes-Benz Bionic es engañosa? No porque el secreto de este vehículo no es su forma cuadrada, sino la forma redondeada del morro (parte delantera de la carrocería). La parte frontal del pez cofre amarillo es completamente diferente a la del coche. Gracias a ello no se producen las fuerzas desestabilizadoras que aparecen en la hidrodinámica del pez. En el coche no hay paradoja que resolver. Su aerodinámica combina estabilidad con baja resistencia.



3 Comentarios

  1. A priori el último estudio parece lógico. Cualquiera que estudie cuerpos sumergidos sometidos a un flujo, sabe que las formas «cuadradas», o con esquinas, o protuberantes, generan torbellinos por desprendimiento de capa límite del fluido, aumentando la diferencia de presiones y por tanto las fuerzas del fluido sobre el cuerpo (el arrastre mencionado).
    Si como bien dices eso ha sido arreglado en el diseño del coche, lo que no han arreglado es que es feo como él solo.

    1. «Naturalmente» inestable pero «artificialmente» estable. Una computadora asiste al piloto en tiempo real (fly by wire), si ella falla bueno el resultado puede ser catastrófico, hubo accidentes durante su desarrollo por esas causas.
      Es maniobrable para el rol que debe cumplir.
      Su diseño facetado, dice la historia, que se debió a la falta de capacidad de computo para resolver geometrías mas complejas que mantengan el RCS (radar cross section ) en valores requeridos, si alguien sabe «en detalle» mas de ello seria interesante conocer como fue, pues también usaron maquetas a escala que las iluminaban con radar.
      Por cierto menudo mallado usaron para la simulación CFD del pececito…

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 15 enero, 2015
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