A física de como os pinguins Gentoo podem nadar tão rápido debaixo d’água – Ars Technica

Mais Zoom / Os pinguins-gentoo são os pássaros nadadores mais rápidos do mundo, graças à forma e estrutura únicas de suas asas.

pinguins gentoo Eles são os pássaros nadadores mais rápidos do mundo, correndo a velocidades subaquáticas máximas de até 36 km/h (cerca de 22 mph). Isso ocorre porque suas asas evoluíram para nadadeiras que são perfeitas para se mover na água (embora em grande parte inúteis para voar pelo ar). Os físicos já usaram a modelagem computacional da hidrodinâmica das asas dos pinguins para obter informações adicionais sobre as forças e fluxos que essas asas criam debaixo d’água. Eles concluíram que a capacidade do pinguim de mudar o ângulo de suas asas enquanto nada é a variável mais importante para gerar impulso, de acordo com o último papel Publicado no Journal of Fluid Physics.

“A capacidade superior dos pinguins nadadores de iniciar/frear, acelerar/desacelerar e virar rapidamente se deve às asas que ondulam livremente”, disse. disse o co-autor Prasert Prapamonthon do Instituto de Tecnologia King Mongkut Ladkrabang em Bangkok, Tailândia. “Eles permitem que os pinguins se movimentem e manobrem na água e mantenham o equilíbrio na terra. Nossa equipe de pesquisa sempre teve curiosidade sobre criaturas evoluídas na natureza que seriam benéficas para a humanidade.”

Os cientistas sempre se interessaram pelo estudo dos animais aquáticos. Essa pesquisa pode levar a novos projetos que reduzem a resistência de aeronaves ou helicópteros. Ou pode ajudar a construir robôs bioinspirados que são mais eficientes para explorar e monitorar ambientes subaquáticos – como Robocrillum pequeno robô de uma perna, impresso em 3D, projetado para imitar o movimento de uma perna krill Assim, você pode se mover suavemente em ambientes subaquáticos.

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As espécies aquáticas evoluíram de várias maneiras para melhorar sua eficiência enquanto navegam pela água. Por exemplo, os tubarões mako podem nadar a velocidades de 70 a 80 milhas por hora, ganhando o apelido de “leopardos do oceano”. Em 2019, os cientistas mostraram que um fator importante em como os tubarões mako são capazes de se mover tão rapidamente é a estrutura única de sua pele. Eles têm pequenas escamas transparentes, com cerca de 0,2 milímetros de tamanho, chamados de “dentes” por todo o corpo, especialmente concentrado nas asas e barbatanas. As escamas são mais flexíveis nessas áreas em comparação com outras áreas, como o nariz.

Isso tem um efeito profundo no grau de estresse que o tubarão mako experimenta enquanto nada. É causada pela pressão de tração separação de fluxo em torno de um objeto, como um avião ou o corpo de um tubarão mako enquanto se move pela água. Isso é o que acontece quando o fluido flui para longe da superfície do corpo, formando redemoinhos e redemoinhos que impedem o movimento do corpo. Os dentes podem se dobrar na pele do tubarão em ângulos de mais de 40 graus em relação ao corpo – mas apenas na direção contrária ao fluxo (ou seja, da cauda ao nariz). Isso controla o grau de separação do fluxo, semelhante a ondulações em uma bola de golfe. O pontilhado, ou escamas no caso do tubarão mako, ajuda a manter o fluxo ao redor do corpo, o que reduz o tamanho de alerta.

O camarão de grama do pântano aumenta a propulsão para a frente graças à rigidez e ao aumento da área de superfície de sua perna. Eles também têm dois mecanismos de redução de arrasto: as pernas são duas vezes mais flexíveis durante o golpe de recuperação e dobram com mais força, resultando em menos interação direta com a água e menos esteiras (redemoinhos menores); E em vez de três pernas se moverem separadamente, suas pernas basicamente se movem como uma só, o que reduz bastante o arrasto.

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Também houve muitos estudos examinando a biomecânica, a cinesiologia e a forma das nadadeiras dos pinguins, entre outros fatores. Prabamonthon e outros. Ele queria aprofundar especificamente a hidrodinâmica de como uma asa batendo gera impulso para a frente. Segundo os autores, os animais aquáticos normalmente usam dois mecanismos básicos para gerar impulso na água. Um é baseado em arrasto, como o remo, e é adequado para se mover em baixas velocidades. Para velocidades mais altas, eles usam um mecanismo baseado em flutuação de levitação, que demonstrou ser mais eficiente na geração de impulso.

(a) Modelo geométrico de uma asa de pinguim e (b) esquema cinemático mostrando eixos, ângulos de batimento, penas e desvio.
Mais Zoom / (a) Modelo geométrico de uma asa de pinguim e (b) esquema cinemático mostrando eixos, ângulos de batimento, penas e desvio.

Howe e outros, 2023

Em um nível, as asas do pinguim são essencialmente asas emplumadas de um avião, apenas mais curtas e planas como nadadeiras ou remos, com penas curtas e espessas que ajudam a prender o ar para reduzir o atrito e a turbulência. Os pinguins também podem alterar o ângulo de suas asas (penas ativas das asas) para reduzir a resistência quando precisam ajustar sua postura de natação, juntamente com o tom e a vibração. De fato, a asa do pinguim é bastante complexa geometricamente, segundo os autores. Há uma parte interna na qual a distância entre a borda de ataque (frontal) e a borda de fuga (traseira) aumenta mais longe de raiz; a seção média onde a ponta é aproximadamente paralela ao espaço entre ponta de asa e ponta de asa; e a parte externa, onde o bordo de fuga da asa é côncavo.

A equipe estudou filmes de pinguins nadando, combinados com a análise do movimento bidimensional lateral. Esses dados os ajudaram a construir um modelo hidrodinâmico para simular as forças e fluxos complexos ao redor das asas, incorporando variáveis ​​como amplitude, frequência e direção do flap e das penas das asas, bem como a velocidade e a viscosidade do meio fluido. Eles usaram a razão da velocidade de impulso para a velocidade de avanço para modelar o movimento da asa e adicionaram uma nova variável chamada “ângulo de impulso”, que é basicamente determinado pelo ângulo de ataque e o ângulo das asas em relação à direção de avanço.

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Prabamonthon e outros concluiu que os pinguins usam um mecanismo de propulsão baseado em elevação enquanto nadam. Além disso, o movimento das penas é essencialmente como os pinguins produzem um impulso tão poderoso para a frente na água. A amplitude ideal durante a gradação gera o maior impulso. Os pinguins são obviamente especialistas em encontrar esse ponto ideal.

No entanto, se houver muita capacitância, causará impulso negativo. Quando as asas batem, elas produzem vórtices, principalmente um Espiral de ponta (LEV) No telhado do pavilhão está um Prapamonthon e outros. Verificou-se que desempenha um papel importante na geração de sustentação e empuxo. “No curso inferior, por exemplo, a introdução de um ângulo de palhetas enfraquece a intensidade da ventilação de exaustão local no convés superior (lado de sucção) e reduz a sustentação”, escrevem os autores. “No entanto, o ângulo de embandeiramento excessivo desloca a superfície inferior para o lado da sucção, resultando em um nível mais baixo de ventilação de exaustão local perto da raiz. Essa mudança pode explicar o empuxo negativo causado pelo alargamento excessivo das palhetas.”

DOI: Física dos Fluidos, 2023. 10.1063 / 5.0147776 (sobre DOIs).

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