Nuevos hallazgos sobre cómo los tiburones logran reducir la resistencia podrían inspirar diseños de microsurcos para aviones y barcos más eficientes. En una investigación de los dentículos del gran tiburón blanco, los investigadores de Tokyo Tech descubrieron que la altura y el espaciado de las crestas juegan un papel importante en la reducción de la resistencia a diferentes velocidades de nado. Las crestas medianas más altas ayudan al tiburón a navegar eficientemente a velocidades más lentas, mientras que las crestas más bajas se vuelven más importantes para reducir la resistencia durante las ráfagas de presas a alta velocidad. El análisis también sugiere que la velocidad de un tiburón gigante extinto, Megalodon, puede no haber sido muy diferente de la de un gran tiburón blanco.
El gran tiburón blanco, uno de los depredadores más eficientes del océano, tiene pequeñas estructuras parecidas a dientes en su piel llamadas dentículos dérmicos, que probablemente reducen la resistencia por fricción a medida que se mueve por el agua. La reducción de la resistencia les ayudará a convertirse en cazadores rápidos, alcanzando velocidades de presa de hasta 6,7 m/s, así como en nadadores de larga distancia, recorriendo eficientemente distancias de hasta 20.000 km. Los ingenieros se han inspirado en estos dentículos para diseñar riblets, o pequeñas crestas unidireccionales, para aviones y veleros. Sin embargo, los dentículos varían en forma, tamaño y espacio en todo el cuerpo de un tiburón, lo que complica la comprensión de cómo afectan colectivamente la reducción de la resistencia.
En un estudio publicado Revista de la interfaz de la Royal Society, investigadores del Instituto Tecnológico de Tokio crearon modelos 3D de dientes de tiburón blanco. Analizaron la forma hidrodinámica de la cresta mediana superior y las crestas laterales inferiores de los dentículos en relación con la velocidad de nado del tiburón. Los investigadores descubrieron que estos dentículos están diseñados para reducir la resistencia en un amplio rango de velocidades, lo que permite al tiburón ganar velocidad para alcanzar a sus presas y navegar de manera eficiente en largas distancias.
El profesor asociado Hiroto Tanaka, autor correspondiente del estudio, dijo: “Nuestros cálculos sugieren que la combinación de crestas altas y bajas en los dientes se adapta a velocidades de natación tanto lentas como altas, proporcionando así robustez en diferentes condiciones de natación”.
Los investigadores recolectaron muestras de piel de 17 lugares diferentes de un gran tiburón blanco (Carcharodon carcharias) espécimen con caras dorsal y ventral del hocico, aleta dorsal, cuerpo lateral, cuerpo ventral, aleta caudal y aleta pectoral (Fig. 1).
Estas muestras se escanearon con un escáner CT de rayos X de microfoco para crear modelos 3D detallados, que luego se analizaron para medir el espaciado y la altura de las crestas. Según estudios previos de dinámica de fluidos de Riblett, las crestas de los dentículos probablemente reducen la resistencia por fricción al alejar los remolinos turbulentos de la superficie de la piel del tiburón. Estos vórtices son más grandes y están más alejados de la piel a velocidades de crucero lentas, pero se reducen a medida que el tiburón nada más rápido (Figura 2). Por lo tanto, el espaciado y la altura de estas crestas son muy importantes porque determinan la eficacia con la que el tiburón interactúa con estos remolinos.
Para estudiar estos aspectos, los investigadores modelaron el cuerpo del tiburón como una placa plana de longitud uniforme y definieron valores adimensionales para la brecha (s+) de la cresta del dentículo. Estos valores normalizan las dimensiones físicas de las rocas según las características de flujo. Se calcularon parámetros adimensionales para velocidades de natación de 1 m/s, 2 m/s, 5 m/s y 10 m/s y se compararon con un dentículo de tiburón con forma de costilla festoneada bien estudiado. Se sabe que el microsurco de referencia es el que más reduce la resistencia por fricción. s+ 17. Al comparar estos valores, los investigadores pueden determinar cómo el espaciado de las crestas de los dentículos de los tiburones afecta la reducción de la resistencia a diferentes velocidades.
Como resultado, los investigadores encontraron que s2+ A 2 m/s de la cresta media superior hay aproximadamente 17, lo que corresponde a la velocidad de migración medida. A una velocidad de caza de 5 m/s, s1+ Entre las crestas altas y bajas vecinas hay aproximadamente 17, lo que indica un efecto de arrastre máximo.
“Las crestas altas probablemente resultan en velocidades de nado bajas, y las crestas alternas altas y bajas dan como resultado velocidades de nado altas, cubriendo todo el rango de velocidades de nado. Nuestro método de cálculo también se puede aplicar a otros tiburones, incluidas especies extintas”, dijo Tanaka. Según datos fósiles, la velocidad de nado del Megalodon, un tiburón gigante extinto con una morfología de dentículo similar, se calcula en 2,7 m/s y 5,9 m/s, respectivamente. Así, a pesar de su cuerpo más grande, la velocidad del Megalodón puede no haber sido muy diferente de la de un gran tiburón blanco. Al descubrir cómo funcionan los dentículos de los tiburones, este estudio podría conducir a nuevos diseños de costillas con crestas altas y bajas en ingeniería y nuevos métodos de análisis para estudios biológicos de la evolución de los tiburones.