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La piel de tiburón ha fascinado durante mucho tiempo a los seres humanos, desde pescadores hasta físicos. Esto se debe a que las escamas de los tiburones han evolucionado hasta convertirse en pequeñas estructuras tridimensionales con forma de yunque llamadas dentículos que ayudan a estos animales a nadar a velocidades vertiginosas. Los tiburones Mako, por ejemplo, atacan a más de 70 km/h. En comparación, un nadador olímpico podría alcanzar sólo 5 km/h.

La idea entre los hidrodinámicos es que la extraña forma de los dentículos de los tiburones debe desempeñar un papel crucial en la locomoción de los tiburones. Y si de alguna manera pueden copiar este proceso, debería ser posible fabricar piel de tiburón artificial que podría ayudar a los humanos o a los submarinos a nadar más rápido.

Pero nadie está muy seguro de cómo funcionan los dentículos. El problema es que la mayoría de los experimentos se han realizado con estructuras simplificadas o con la propia piel de tiburón, que pierde sus propiedades especiales al retirarla del pez. Entonces, si bien los hidrodinámicos han logrado avances con ciertas estructuras simples de la piel, se desconoce en gran medida la forma en que los dentículos reducen la resistencia.

Ahora parece que eso va a cambiar gracias al trabajo de Benjamin Savino y Wen Wu de la Universidad de Mississippi, quienes han simulado el flujo de fluido sobre dentículos de forma similar al real. Sus resultados sugieren que la piel de tiburón no sólo reduce la resistencia sino que genera empuje en la dirección del movimiento.

Los físicos han estado estudiando las propiedades hidrodinámicas de la piel de tiburón desde los años 1980. La piel se diferencia significativamente de la de otros peces porque las escamas son diminutas, de menos de medio milímetro de tamaño, y tienen una forma tridimensional según la especie.

Existe cierta evidencia de que los dentículos se “erizan” o se levantan cuando un tiburón acelera y que este comportamiento varía según el cuerpo del tiburón. Pero nadie está seguro de por qué.

Los hidrodinámicos han intentado reproducir este comportamiento con distintos grados de éxito. Los más exitosos han demostrado que los dentículos, en forma de pequeñas crestas alineadas con la dirección del flujo, pueden reducir la resistencia hasta en un 10 por ciento.

Esto influye en el comportamiento del flujo de líquido en la llamada «capa límite» situada junto a la piel. Lo ideal es que la capa límite quede pegada a la piel, lo que ayuda a mantenerla suave.

Pero cuando el límite se separa de la piel, rápidamente se vuelve turbulento y esto aumenta dramáticamente la resistencia. Los microsurcos actúan ayudando a mantener la capa límite adherida a la superficie.

Este es el tipo de ventaja que puede marcar una gran diferencia para los submarinos, barcos, yates, torpedos, etc. Es una de las razones por las que el diseño y las especificaciones de materiales de los yates de carreras y los submarinos militares son un secreto bien guardado. (Aunque un desafío es mantener limpias las crestas).

Pero ¿qué pasa con las formas más complejas de los dentículos? ¿Cómo funcionan? Para averiguarlo, Savino y Wu crearon un modelo virtual de piel de tiburón cubierta con dentículos en forma de yunque, cuyos delgados pilares sostienen las cabezas de los yunques.

Las cabezas de yunque se encajan entre sí para formar una especie de superficie secundaria sobre la piel por la que puede fluir el líquido. Pero debajo de las cabezas, una fina capa de líquido fluye libremente de otra manera en esta región protegida.

Los dentículos pueden canalizar el líquido hacia una capa protegida debajo del flujo principal (fuente: arxiv.org/abs/2403.14095)

Cuando los investigadores simularon el flujo de fluido sobre estas estructuras, descubrieron que las cabezas de yunque tienden a inyectar una pequeña cantidad de fluido en la región protegida, donde gira sobre sí misma, como una pequeña ola. Esto genera un flujo inverso en esta región que empuja contra los pilares de soporte, generando empuje en la dirección del movimiento. Savino y Wu lo llaman empuje de poro inverso.

Al mismo tiempo, el proceso de canalizar una fracción del agua hacia la región protegida ayuda a mantener la capa límite adherida a la superficie y así reducir la resistencia. «Los resultados indican un mecanismo de reducción de resistencia proactivo y bajo demanda», dicen.

Una característica clave del trabajo es que los investigadores no utilizaron una superficie plana para su simulación. En cambio, simularon el flujo a través de una protuberancia en una superficie porque tienden a hacer que la capa límite se desprenda. Colocaron los dentículos en el lado de sotavento del montículo (el lado a favor del viento), donde observaron este efecto.

Savino y Wu creen que el cambio de presión en el lado de sotavento del montículo es un factor crucial en la inyección de fluido en la subregión protegida. También explica por qué otros que intentaron simulaciones y experimentos similares en superficies planas no lograron observar una reducción similar en la resistencia. «Los tiburones pueden tener una estrategia para mantener una curvatura suave y así prolongar la generación de empuje de poro inverso», dicen.

Es un trabajo interesante con aplicaciones importantes. No es difícil imaginar cómo los diseñadores de submarinos y yates podrían emplear dentículos en áreas curvas de sus diseños. «Esto ofrece una nueva y emocionante estrategia para la reducción de la resistencia», dicen Savino y Wu.

Pero mantener la piel sintética de tiburón libre de contaminación marina seguirá siendo un problema. Quizás la siguiente etapa de la investigación debería ser determinar cómo los tiburones mantienen limpios sus dentículos.


Ref: Generación de empuje por dentículos de tiburón: arxiv.org/abs/2403.14095