
Crédito: Universidad de Cornell
Los escarabajos torbellino, los insectos que nadan más rápido del mundo, alcanzan velocidades asombrosas empleando una técnica compartida por veloces mamíferos marinos y aves acuáticas, reescribiendo explicaciones anteriores para la física involucrada, según un nuevo estudio de la Universidad de Cornell.
Los escarabajos de un centímetro de largo pueden alcanzar una aceleración máxima de 100 metros por segundo y una velocidad máxima de 100 longitudes de cuerpo por segundo (o un metro por segundo).
Los resultados no sólo explican la velocidad olímpica de Whirligig, sino que también proporcionan información valiosa para los diseñadores bioinspirados de robots acuáticos de superficie y embarcaciones no tripuladas.
Hasta ahora, los investigadores creían que los tornados alcanzaban sus impresionantes velocidades utilizando un sistema de propulsión llamado empuje basado en arrastre. Este tipo de presión requiere que las patas del insecto se muevan más rápido que la velocidad de nado, lo que hace que las patas ejerzan presión. Para que un escarabajo perinola alcance velocidades de nado tan rápidas, sus patas tienen que empujar el agua a una velocidad poco realista.
«Eso bien podría haberse cuestionado», afirmó Chris Roh, profesor asistente de ingeniería biológica y ambiental. «Un nadador rápido y el estrés causado por el arrastre no suelen ir juntos en la misma frase».
De hecho, los mamíferos marinos y las aves acuáticas que nadan rápidamente evitan el empuje basado en la resistencia en favor del empuje basado en la sustentación, otro sistema de propulsión. La investigación se describe en un estudio publicado el 8 de enero en la revista Biología actual.
Utilizando dos cámaras de alta velocidad sincronizadas en diferentes ángulos, los investigadores pueden obtener imágenes de un vórtice y observar el mecanismo de empuje basado en la elevación en funcionamiento. Un empuje basado en sustentación actúa como una hélice, donde el movimiento de empuje es perpendicular a la superficie del agua, lo que elimina la resistencia y permite un impulso más eficiente capaz de alcanzar velocidades más altas.
«En biología, es difícil cambiar las cosas», dijo Roh. «Somos máquinas basadas en compresión. Entonces, se podría decir que las patas de un escarabajo giratorio son una hélice parcial que gira en un ángulo y luego se retrae antes de reiniciarse y girar parcialmente nuevamente».
Junto con las velocidades de las piernas y el cuerpo extraídas de las dos observaciones de cámaras sincronizadas, Sun utilizó formulaciones aerodinámicas para calcular que el empuje basado en la sustentación era la gran fuerza necesaria para la rápida propulsión del perinola.
«No es diferente a que el ala de un avión se incline un poco», dijo Roh. «Ese ángulo de ataque en realidad permite generar sustentación».
El empuje basado en la sustentación se ha identificado previamente en organismos de gran escala, como ballenas, delfines y leones marinos. «En este trabajo, ampliamos la escala de longitud a un centímetro, lo que significa que los escarabajos torbellino son los organismos más pequeños que utilizan la presión basada en la elevación para nadar», dijo Yukun Sun, estudiante de doctorado en el laboratorio de Roh y primer autor del artículo.
«Esperamos que esto ayude a la robótica bioinspirada y a otras comunidades de ingeniería a identificar primero la física correcta y luego tratar de preservar la física al crear la robótica», dijo Roh.
La Marina de los EE. UU. está desarrollando embarcaciones sin tripulación, ya que el diseño de los barcos tradicionales se ve limitado por la necesidad de acomodar tripulaciones. Al eliminar la tripulación, los barcos son mucho más pequeños y flexibles. Roh cree que el pequeño tamaño de los Whirligs, su forma de barco y su mecanismo de propulsión generador de sustentación se traducen bien en los diseños de naves robóticas.
Más información:
Yukun Sun et al., El escarabajo Whirligig utiliza presión basada en elevación para nadar rápidamente los insectos, Biología actual (2024) DOI: 10.1016/j.cub.2023.11.008
Proporcionado por la Universidad de Cornell
referencia: El insecto que nada más rápido inspira diseños de barcos sin tripulación (9 de enero de 2024) Consultado el 9 de enero de 2024 en https://phys.org/news/2024-01-fastest-insect-uncrewed-boat.html
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