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Aleta

Las aletas suelen funcionar como perfiles aerodinámicos que proporcionan sustentación o empuje, o que permiten dirigir o estabilizar el movimiento en el agua o en el aire. Una a...

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Las aletas suelen funcionar como perfiles aerodinámicos que proporcionan sustentación o empuje, o que permiten dirigir o estabilizar el movimiento en el agua o en el aire.

Una aleta es un apéndice o componente delgado unido a un cuerpo o estructura más grande. [ 1 ] Las aletas suelen funcionar como perfiles aerodinámicos que producen sustentación o empuje , o proporcionan la capacidad de dirigir o estabilizar el movimiento al desplazarse en agua, aire u otros fluidos . Las aletas también se utilizan para aumentar las superficies con fines de transferencia de calor , o simplemente como ornamentación. [ 2 ] [ 3 ]

Las aletas evolucionaron por primera vez en los peces como medio de locomoción. Se utilizan para generar empuje y controlar el movimiento. Los peces y otros animales acuáticos, como los cetáceos , se impulsan y dirigen activamente con las aletas pectorales y caudales . Al nadar, utilizan otras aletas, como la dorsal y la anal , para lograr estabilidad y perfeccionar sus maniobras. [ 4 ] [ 5 ]

Las aletas en la cola de los cetáceos, ictiosaurios , metriorrínquidos , mosasaurios y plesiosaurios se llaman aletas caudales .

Generación de empuje

Las aletas con forma de lámina generan empuje al moverse; la sustentación de la aleta pone en movimiento el agua o el aire y la empuja en la dirección opuesta. Los animales acuáticos obtienen un empuje significativo moviendo las aletas hacia adelante y hacia atrás en el agua. A menudo se utiliza la aleta caudal , pero algunos animales acuáticos generan empuje a partir de las aletas pectorales . [ 4 ] Las aletas también pueden generar empuje si giran en el aire o el agua. Las turbinas y las hélices (y a veces los ventiladores y las bombas ) utilizan varias aletas giratorias, también llamadas láminas, alas, brazos o palas. Las hélices utilizan las aletas para transformar la fuerza de torsión en empuje lateral, impulsando así una aeronave o un barco. [ 6 ] Las turbinas funcionan a la inversa, utilizando la sustentación de las palas para generar torsión y potencia a partir del movimiento de gases o agua. [ 7 ]

Las aletas móviles pueden proporcionar empuje.
Los peces obtienen impulso moviendo sus aletas caudales verticales de un lado a otro.
Los cetáceos obtienen impulso moviendo sus aletas caudales horizontales hacia arriba y hacia abajo.
Las rayas se impulsan gracias a sus grandes aletas pectorales.
hélice de barco
Aletas (álabes) del compresor
En esta hélice se aprecian daños por cavitación.
Dibujo del Dr. Tony Ayling
Las aletas pequeñas pueden influir en la forma en que se desarrolla un vórtice alrededor de la aleta de cola.

La cavitación puede ser un problema en aplicaciones de alta potencia, provocando daños en hélices o turbinas, así como ruido y pérdida de potencia. [ 8 ] La cavitación se produce cuando la presión negativa hace que se formen burbujas (cavidades) en un líquido, que luego colapsan rápida y violentamente. Puede causar daños y desgaste significativos. [ 8 ] Los daños por cavitación también pueden ocurrir en las aletas caudales de animales marinos nadadores potentes, como delfines y atunes. La cavitación es más probable que ocurra cerca de la superficie del océano, donde la presión ambiental del agua es relativamente baja. Incluso si tienen la potencia para nadar más rápido, los delfines pueden tener que limitar su velocidad porque el colapso de las burbujas de cavitación en su cola es demasiado doloroso. [ 9 ] La cavitación también ralentiza al atún, pero por una razón diferente. A diferencia de los delfines, estos peces no sienten las burbujas, porque tienen aletas óseas sin terminaciones nerviosas. Sin embargo, no pueden nadar más rápido porque las burbujas de cavitación crean una película de vapor alrededor de sus aletas que limita su velocidad. Se han encontrado lesiones en el atún que son compatibles con daños por cavitación. [ 9 ]

Los peces escómbridos (atún, caballa y bonito) son nadadores de alto rendimiento. A lo largo del margen posterior de su cuerpo se encuentra una línea de pequeñas aletas sin radios y no retráctiles, conocidas como aletas . Se ha especulado mucho sobre la función de estas aletas. Investigaciones realizadas en 2000 y 2001 por Nauen y Lauder indicaron que "las aletas tienen un efecto hidrodinámico sobre el flujo local durante la natación constante" y que "la aleta más posterior está orientada para redirigir el flujo hacia el vórtice de la cola en desarrollo, lo que puede aumentar el empuje producido por la cola de la caballa al nadar". [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Los peces utilizan múltiples aletas, por lo que es posible que una aleta determinada interactúe hidrodinámicamente con otra. En particular, las aletas inmediatamente anteriores a la aleta caudal (cola) pueden ser aletas próximas que afecten directamente la dinámica del flujo en la aleta caudal. En 2011, investigadores que utilizaron técnicas de imágenes volumétricas lograron generar "las primeras vistas tridimensionales instantáneas de las estructuras de la estela producidas por peces que nadan libremente". Descubrieron que "los continuos movimientos de la cola daban lugar a la formación de una cadena enlazada de anillos de vórtice" y que "las estelas de las aletas dorsal y anal son rápidamente arrastradas por la estela de la aleta caudal, aproximadamente en el lapso de tiempo de un movimiento de la cola posterior". [ 13 ]

Control de movimiento

Las aletas son utilizadas por animales acuáticos, como esta orca , para generar empuje y controlar el movimiento subsiguiente. [ 14 ] [ 15 ]

Una vez establecido el movimiento, este puede controlarse mediante el uso de otras aletas. [ 4 ] [ 16 ] [ 17 ] Los barcos controlan la dirección (guiñada) con timones en forma de aleta y el balanceo con estabilizadores y aletas de quilla. [ 16 ] Los aviones logran resultados similares con pequeñas aletas especializadas que modifican la forma de sus alas y aletas de cola. [ 17 ]

Se utilizan aletas especializadas para controlar el movimiento.
Los peces, los barcos y los aviones necesitan controlar tres grados de libertad de rotación . [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
La aleta dorsal del tiburón blanco contiene fibras dérmicas que funcionan "como aparejos que estabilizan el mástil de un barco" y se rigidizan dinámicamente a medida que el tiburón nada más rápido para controlar el balanceo y la guiñada. [ 21 ]
Aleta caudal de un gran tiburón blanco
Un timón corrige la guiñada.
Una quilla de aleta limita el balanceo y la deriva lateral.
Las aletas estabilizadoras del barco reducen el balanceo.
Los alerones controlan el alabeo.
Los ascensores controlan la inclinación.
El timón controla el guiñada.

Las aletas estabilizadoras se utilizan como emplumado en flechas y algunos dardos , [ 22 ] y en la parte trasera de algunas bombas , misiles , cohetes y torpedos autopropulsados . [ 23 ] [ 24 ] Estas suelen ser planas y tener forma de pequeñas alas, aunque a veces se utilizan aletas de rejilla . [ 25 ] También se han utilizado aletas estáticas para un satélite, GOCE .

Las aletas de cola estáticas se utilizan como estabilizadores.
Emplumado en una flecha
Las aletas estabilizadoras asimétricas le confieren giro a este cohete de artillería soviético.
Aletas "planas" convencionales en un misil RIM-7 Sea Sparrow

Regulación de la temperatura

Las aletas de ingeniería también se utilizan como aletas de transferencia de calor para regular la temperatura en disipadores de calor o radiadores de aletas . [ 26 ] [ 27 ]

Las aletas pueden regular la temperatura.
Las motocicletas utilizan aletas para enfriar el motor. [ 28 ]
Los calentadores de aceite funcionan por convección con aletas.
Los peces vela levantan su aleta dorsal para refrescarse o para arrear a los peces que nadan en cardúmenes . [ 29 ] [ 30 ]

Ornamentación y otros usos

En biología, las aletas pueden tener una importancia adaptativa como ornamentos sexuales. Durante el cortejo, la hembra del cíclido Pelvicachromis taeniatus exhibe una aleta pélvica púrpura grande y llamativa . "Los investigadores descubrieron que los machos preferían claramente a las hembras con una aleta pélvica más grande y que las aletas pélvicas crecían de forma más desproporcionada que otras aletas en las hembras". [ 31 ] [ 32 ]

Ornamentación
Durante el cortejo, la hembra del cíclido Pelvicachromis taeniatus exhibe su llamativa aleta pélvica de color púrpura .
El Spinosaurus pudo haber utilizado su aleta dorsal ( vela ) como parte de su exhibición de cortejo. [ 33 ] : 28
Las aletas traseras de los automóviles en la década de 1950 eran en gran medida decorativas. [ 34 ]

La remodelación de los pies humanos con aletas de natación , de forma similar a la aleta caudal de un pez, añade impulso y eficiencia a las patadas de un nadador o buceador [ 35 ] [ 36 ] Las aletas de las tablas de surf proporcionan a los surfistas medios para maniobrar y controlar sus tablas. Las tablas de surf contemporáneas suelen tener una aleta central y dos aletas laterales curvadas . [ 37 ]

Los cuerpos de los peces de arrecife suelen tener una forma diferente a la de los peces de aguas abiertas . Estos últimos generalmente están diseñados para la velocidad, con una forma aerodinámica similar a la de un torpedo para minimizar la fricción al moverse por el agua. Los peces de arrecife, en cambio, se desenvuelven en los espacios relativamente confinados y los complejos paisajes submarinos de los arrecifes de coral . Por ello, la maniobrabilidad es más importante que la velocidad en línea recta, por lo que han desarrollado cuerpos que optimizan su capacidad de moverse rápidamente y cambiar de dirección. Evaden a los depredadores escondiéndose en las fisuras del arrecife o jugando al escondite alrededor de las cabezas de coral. [ 38 ]

Las aletas pectorales y pélvicas de muchos peces de arrecife, como los peces mariposa , los peces damisela y los peces ángel , han evolucionado para actuar como frenos y permitir maniobras complejas. [ 39 ] Muchos peces de arrecife, como los peces mariposa , los peces damisela y los peces ángel , han desarrollado cuerpos profundos y comprimidos lateralmente como una tortita, que se adaptan a las fisuras de las rocas. Sus aletas pélvicas y pectorales están diseñadas de manera diferente, por lo que actúan junto con el cuerpo aplanado para optimizar la maniobrabilidad. [ 38 ] Algunos peces, como los peces globo , los peces lima y los peces cofre , dependen de las aletas pectorales para nadar y apenas usan las aletas caudales. [ 39 ]

Otros usos
Las aletas de natación proporcionan mayor impulso a las patadas de un nadador humano .
Las aletas de las tablas de surf permiten a los surfistas maniobrar sus tablas.
En algunos países asiáticos, las aletas de tiburón son un manjar culinario . [ 40 ]
En los últimos años, las aletas de los automóviles han evolucionado hasta convertirse en alerones y spoilers altamente funcionales . [ 41 ]
Muchos peces de arrecife tienen aletas pectorales y pélvicas optimizadas para cuerpos aplanados. [ 38 ]
Los peces rana utilizan sus aletas pectorales y pélvicas para caminar por el fondo del océano. [ 42 ]
Los peces voladores utilizan aletas pectorales agrandadas para planear sobre la superficie del agua. [ 43 ]

Evolución

Los animales acuáticos suelen usar aletas para la locomoción : (1) aletas pectorales (pares), (2) aletas pélvicas (pares), (3) aleta dorsal, (4) aleta adiposa, (5) aleta anal y (6) aleta caudal (cola).

Aristóteles reconoció la distinción entre estructuras análogas y homólogas , e hizo la siguiente comparación profética: «Las aves se parecen en cierto modo a los peces. Pues las aves tienen las alas en la parte superior del cuerpo y los peces tienen dos aletas en la parte delantera. Las aves tienen las patas en la parte inferior y la mayoría de los peces tienen un segundo par de aletas en la parte inferior, cerca de las delanteras».

— Aristóteles, De incessu animalium [ 44 ]

Existe una antigua teoría, propuesta por el anatomista Carl Gegenbaur , que a menudo se ha descartado en los libros de texto de ciencias, que postula que las aletas y (posteriormente) las extremidades evolucionaron a partir de las branquias de un vertebrado extinto. Las lagunas en el registro fósil no habían permitido llegar a una conclusión definitiva. En 2009, investigadores de la Universidad de Chicago hallaron evidencia de que la arquitectura genética de las branquias, las aletas y las extremidades es la misma, y ​​que el esqueleto de cualquier apéndice del cuerpo de un animal probablemente está determinado por el programa genético de desarrollo que hemos rastreado hasta la formación de las branquias en los tiburones. [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] Estudios recientes respaldan la idea de que los arcos branquiales y las aletas pares son homólogos en serie y, por lo tanto, que las aletas podrían haber evolucionado a partir de los tejidos branquiales. [ 48 ]

Los peces son los ancestros de todos los mamíferos, reptiles, aves y anfibios. [ 49 ] En particular, los tetrápodos terrestres (animales de cuatro patas) evolucionaron a partir de los peces y realizaron sus primeras incursiones en tierra hace 400 millones de años. Utilizaban aletas pectorales y pélvicas pares para la locomoción. Las aletas pectorales se desarrollaron en patas delanteras (brazos en el caso de los humanos) y las aletas pélvicas en patas traseras. [ 50 ] Gran parte de la maquinaria genética que construye una extremidad para caminar en un tetrápodo ya está presente en la aleta natatoria de un pez. [ 51 ] [ 52 ]

Comparación entre A) la aleta natatoria de un pez de aletas lobuladas y B) la pata para caminar de un tetrápodo . Los huesos que se consideran correspondientes tienen el mismo color.
En una evolución paralela pero independiente, el antiguo reptil Ichthyosaurus communis desarrolló aletas (o aletas pectorales) muy similares a las de los peces (o delfines).

En 2011, investigadores de la Universidad de Monash en Australia utilizaron peces pulmonados primitivos pero aún vivos "para rastrear la evolución de los músculos de las aletas pélvicas y descubrir cómo evolucionaron las extremidades posteriores de los tetrápodos que soportan carga". [ 53 ] [ 54 ] Investigaciones posteriores en la Universidad de Chicago encontraron que los peces pulmonados que caminan por el fondo ya habían desarrollado características de las marchas de los tetrápodos terrestres. [ 55 ] [ 56 ]

En un ejemplo clásico de evolución convergente , las extremidades pectorales de los pterosaurios , las aves y los murciélagos evolucionaron por caminos independientes hasta convertirse en alas voladoras. Incluso con las alas voladoras, existen muchas similitudes con las patas para caminar, y se han conservado aspectos fundamentales del patrón genético de la aleta pectoral. [ 57 ] [ 58 ]

Hace unos 200 millones de años aparecieron los primeros mamíferos. Un grupo de estos mamíferos comenzó a regresar al mar hace unos 52 millones de años, completando así un ciclo. Estos son los cetáceos (ballenas, delfines y marsopas). Análisis recientes de ADN sugieren que los cetáceos evolucionaron a partir de los ungulados de dedos pares y que comparten un ancestro común con el hipopótamo . [ 59 ] [ 60 ] Hace unos 23 millones de años, otro grupo de mamíferos terrestres parecidos a los osos comenzó a regresar al mar. Estos eran los pinnípedos (focas). [ 61 ] Lo que se había convertido en extremidades para caminar en cetáceos y focas evolucionó aún más, de forma independiente en una forma inversa de evolución convergente, volviendo a nuevas formas de aletas para nadar. Las extremidades anteriores se convirtieron en aletas y, en los pinnípedos, las extremidades posteriores se convirtieron en una cola que termina en dos aletas (la aleta caudal de los cetáceos , por el contrario, es un órgano completamente nuevo). [ 62 ] Las colas de los peces suelen ser verticales y se mueven de lado a lado. Las aletas caudales de los cetáceos son horizontales y se mueven hacia arriba y hacia abajo, porque las espinas de los cetáceos se doblan de la misma manera que en otros mamíferos. [ 63 ] [ 64 ]

Los ictiosaurios eran reptiles antiguos que se parecían a los delfines. Aparecieron por primera vez hace unos 245 millones de años y desaparecieron hace unos 90 millones de años.

"Este reptil marino con ancestros terrestres convergió tan fuertemente con los peces que desarrolló una aleta dorsal y una cola en el lugar preciso y con el diseño hidrológico adecuado. Estas estructuras son aún más notables porque evolucionaron de la nada: el reptil terrestre ancestral no tenía joroba en el lomo ni hoja en la cola que sirvieran de precursor." [ 65 ]

El biólogo Stephen Jay Gould dijo que el ictiosaurio era su ejemplo favorito de evolución convergente . [ 66 ]

Robótica

En la década de 1990, la CIA construyó un pez gato robótico llamado Charlie para probar la viabilidad de los vehículos submarinos no tripulados .

El uso de aletas para la propulsión de animales acuáticos puede ser notablemente efectivo. Se ha calculado que algunos peces pueden alcanzar una eficiencia propulsora superior al 90%. [ 4 ] Los peces pueden acelerar y maniobrar mucho más eficazmente que los barcos o submarinos , y producen menos perturbación del agua y ruido. Esto ha llevado a estudios biomiméticos de robots submarinos que intentan emular la locomoción de los animales acuáticos. [ 67 ] Un ejemplo es el Robot Atún construido por el Instituto de Robótica de Campo , para analizar y modelar matemáticamente el movimiento tuniforme . [ 68 ] En 2005, el Acuario Sea Life de Londres exhibió tres peces robóticos creados por el departamento de ciencias de la computación de la Universidad de Essex . Los peces fueron diseñados para ser autónomos, nadando y evitando obstáculos como los peces reales. Su creador afirmó que estaba tratando de combinar "la velocidad del atún, la aceleración de un lucio y las habilidades de navegación de una anguila". [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]

El AquaPenguin , desarrollado por Festo de Alemania, copia la forma aerodinámica y la propulsión mediante las aletas delanteras de los pingüinos . [ 72 ] [ 73 ] Festo también desarrolló AquaRay , [ 74 ] AquaJelly [ 75 ] y AiraCuda , [ 76 ] emulando respectivamente la locomoción de las mantarrayas, las medusas y las barracudas.

En 2004, Hugh Herr del MIT creó un prototipo de pez robótico biomecatrónico con un actuador vivo mediante el trasplante quirúrgico de músculos de patas de rana al robot, y luego lo hizo nadar mediante la estimulación eléctrica de las fibras musculares. [ 77 ] [ 78 ]

Los peces robóticos ofrecen algunas ventajas para la investigación, como la posibilidad de examinar una parte del diseño del pez de forma aislada del resto y la variabilidad de un único parámetro, como la flexibilidad o la dirección. Los investigadores pueden medir las fuerzas directamente con mayor facilidad que en peces vivos. «Los dispositivos robóticos también facilitan los estudios cinemáticos tridimensionales y los análisis hidrodinámicos correlacionados, ya que se puede conocer con precisión la ubicación de la superficie locomotora. Además, los componentes individuales de un movimiento natural (como la extensión frente a la entrada de un apéndice) se pueden programar por separado, lo que sin duda es difícil de lograr cuando se trabaja con un animal vivo». [ 79 ]

Véase también

Referencias

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