La forma de las escamas hace que el flujo de agua atraviese la piel del pez, lo que reduce la turbulencia y minimiza la resistencia.

Introducción

Los aviones, submarinos y automóviles están diseñados con materiales lisos porque tienen menos resistencia que los ásperos. ¿Derecho? En realidad, eso puede ser un cuento de peces, según, bueno, la mayoría de los peces. Alrededor de 25,000 especies de peces óseos tienen una piel escamosa adaptada que, según muestra una nueva investigación, reduce la resistencia.

La estrategia

El profesor Christoph Bruecker y el estudiante de posgrado Muthukumar Muthuramalingam de la Universidad de la Ciudad de Londres realizaron dos estudios que indican que la aspereza de las escamas de los peces no actúa como la aspereza típica de otros materiales. Aunque la forma y el tamaño varían según la especie, las escamas de los peces son esencialmente filas de protuberancias superpuestas en forma de concha marina. Los picos de las escamas llenas de baches crean estelas de agua más lenta detrás de ellos. Los lados superpuestos de las escamas forman valles por donde pasa la mayor parte del agua. Entonces, cuando un pez nada, tiene bandas alternas de "flujo bajo" detrás de los picos de las escamas y "flujo alto" detrás de los valles.

 

Several images of fish scales from a variety of fish and a sketch showing the staggered velocity profile across fish scales
Imagen: Muthukumar Muthuramalingam / CC BY - Creative Commons Attribution solo

Escamas de pescado de (A) Etroplus (Etroplus suratensis), (B) carpa Mrigal (Cirrhinus cirrhosus), (C) Tilapia (Oreochromis niloticus). (D) Rohu (Labeo rohita), y (E) Catla (Labeo catla). (F) muestra el perfil rayado que se presenta sobre las escamas de los peces; el rojo indica regiones de flujo bajo y el azul indica regiones de flujo alto.

Es este patrón rayado lo que evita que las escamas se comporten como una superficie rugosa típica porque mantiene uniforme el flujo a través del pez, como el suave flujo de un arroyo. Los físicos llaman a esto un flujo "laminar", lo que significa que todo el fluido fluye en corrientes paralelas, o laminaciones, en lugar de girar e interferir. Su opuesto, el flujo turbulento, es como un río que brota a borbotones que hace espuma alrededor de las rocas, arremolinándose y mezclándose. Tiene sentido que sea más fácil para un pez nadar contra la corriente de un arroyo que la de un río caudaloso. Pero esta investigación no se trata de cuán laminar o turbulento es el cuerpo de agua. Se trata del flujo justo al lado de la piel de un pez nadando, en un área llamada "la capa límite".

Bruecker explica que un pez nadando en un océano no perturbaría el agua a 100 pies de distancia, y esa agua lejana tampoco contribuye a la fricción que el pez tiene que superar para avanzar. Incluso el agua a unas pocas pulgadas de distancia tiene poco impacto. Es el volumen crítico de agua de milímetros de espesor justo contra la piel de un pez lo que causa la resistencia.

Si el flujo en esta delgada capa límite se vuelve turbulento, Bruecker dice que la fricción aumenta casi cinco veces. Por lo tanto, las escamas mantienen baja la resistencia al mantener un flujo laminar uniforme en todo el cuerpo del pez. En un experimento, los investigadores usaron tinte para visualizar el flujo a través de una placa plana y lisa y lo compararon con una superficie escalada. A través de la placa lisa, el flujo decayó rápidamente en remolinos y mezclas turbulentas porque no había estructuras presentes para nivelarlo. Por el contrario, las rayas rojas a lo largo de la superficie escalada indicaron que se conservó un perfil laminar a lo largo de una distancia mucho mayor que la placa lisa. Por supuesto, a medida que un pez nada más y más rápido, el flujo eventualmente se volverá turbulento. Pero las escalas retrasan la transición.

A comparison of velocity profiles seen with flow across a flat disc compared to a scaled surface
Imagen: Muthukumar Muthuramalingam / CC BY - Creative Commons Attribution solo

En la imagen superior, el flujo es de izquierda a derecha paralelo a una placa plana, lo que muestra cómo el perfil cambia rápidamente de laminar (flujo estriado) a turbulento (flujo mixto). La imagen inferior captura la misma velocidad de flujo y la misma distancia recorrida, pero a través de una superficie escalada, que muestra cómo las escalas conservan el flujo laminar estriado en una distancia mucho mayor.

Se trata de ahorrar energía locomotora. Christoph Bruecker, Profesor de la Universidad de la Ciudad de Londres

Buscando más detalles, los científicos descubrieron que no es solo la forma de las escamas, sino su tamaño lo que determina el flujo en la capa límite. Para igualar el flujo, las alturas de las protuberancias de la escala deben ser bajas en relación con el espesor de la capa límite. Si las escamas se extendieran demasiado, actuarían como una superficie rugosa tradicional, mezclando agua y agregando resistencia. Entonces, los nadadores más rápidos, que tienen capas límite más delgadas, necesitan alturas de escala más pequeñas. Los investigadores creen que esto podría explicar por qué algunos nadadores rápidos, como el atún, tienen escamas más pequeñas que los nadadores más lentos, como la carpa.

Uno de los hallazgos clave de la investigación fue que retrasar la transición al flujo turbulento en superficies escaladas puede reducir la resistencia hasta en un 27 % en comparación con las superficies lisas. ¿Por qué es eso importante para un pez? “Se trata de ahorrar energía locomotora”, dice Bruecker. Una natación más eficiente permite a los peces cubrir distancias más largas con menos comida.

Las posibilidades

La incorporación de escalas en los diseños de materiales también podría ayudar a los humanos a consumir menos combustible. Los revestimientos incrustados en las tuberías podrían reducir la pérdida por fricción a lo largo de las tuberías. Grabar escamas en las superficies de aviones, submarinos y automóviles también podría mejorar la eficiencia del combustible y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Muchos piensan que no hay pescado más grande que freír que abordar el cambio climático. Las escamas de pescado podrían ayudar.

Última actualización 8 de abril de 2021