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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo A5 - Fallo de Flotabilidad
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:3139
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Integridad de la vejiga y modos de daño
¿Qué mecanismos dañan la vejiga natatoria y qué tipo de fallo producen?
Grupo 2: Grupo 2: Pérdida de gas en fallo parcial
¿Cómo una microperforación controla la tasa de pérdida de gas?
Grupo 3: Grupo 3: Balance de flotabilidad y fuerza neta
¿Cómo el volumen de gas compensa la mayor densidad de los tejidos?
Grupo 4: Grupo 4: Compensación hidrodinámica activa
¿Cómo el pez sustituye con nado inclinado la flotabilidad perdida?
Grupo 5: Grupo 5: Costo energético de la compensación
¿Cómo la compensación activa incrementa arrastre, reduce eficiencia y eleva el costo energético?
Grupo 6: Grupo 6: Ascenso rápido y sobredistensión
¿Cómo la caída de presión durante un ascenso invierte el fallo hacia empuje excesivo?
Grupo 7: Grupo 7: Observables conductuales finales
¿Qué comportamientos observables resultan de la pérdida de control de flotabilidad?
ID:1066
Grupo 1: Grupo 1: Integridad de la vejiga y modos de daño
Descripción
¿Qué mecanismos dañan la vejiga natatoria y qué tipo de fallo producen?
Pregunta clave: ¿Qué mecanismos dañan la vejiga natatoria y qué tipo de fallo producen?
El fallo de flotabilidad ocurre cuando la vejiga natatoria pierde su integridad estructural, ya sea por perforación causada por parásitos, por infección bacteriana o por trauma mecánico, y como consecuencia deja de poder mantener el volumen de gas necesario para esa compensación de densidad. El fallo de la vejiga natatoria puede ser parcial, cuando una microperforación deja escapar el gas lentamente, o total, cuando la vejiga colapsa de forma súbita. El resultado inmediato de una vejiga natatoria que ya no compensa la densidad de los tejidos es una fuerza neta que empuja al pez hacia el fondo, y el pez solo puede contrarrestar esa fuerza con nado activo continuo, incluso cuando está en reposo, lo que le impone un costo metabólico enorme respecto de un pez con la vejiga natatoria intacta. El comportamiento resultante es característico: el pez nada con un ángulo de inclinación corporal anormal, describe una natación circular en vez de una trayectoria recta, y pierde la capacidad de mantenerse estacionario en la columna de agua que un pez con la vejiga natatoria intacta da por sentada. La vejiga natatoria es la protagonista de este modelo: su función es mantener un volumen de gas suficiente para compensar el hecho de que los tejidos del cuerpo del pez son más densos que el agua que lo rodea —los tejidos rondan entre mil sesenta y mil noventa kilogramos por metro cúbico, frente a unos mil veinticinco kilogramos por metro cúbico del agua—.
ID:5142
Grupo 2: Grupo 2: Pérdida de gas en fallo parcial
Descripción
¿Cómo una microperforación controla la tasa de pérdida de gas?
Pregunta clave: ¿Cómo una microperforación controla la tasa de pérdida de gas?
En el fallo parcial, el gas se difunde hacia afuera de la vejiga dañada de un modo que sigue el mismo principio que la difusión a través de cualquier membrana lesionada: la tasa a la que se pierde el gas es mayor cuanto más grande es el área dañada de la membrana, mayor cuanto mayor es la diferencia de presión del gas entre el interior de la vejiga y el tejido que la rodea, y mayor cuanto más permeable se ha vuelto esa membrana dañada. Para compensar esa fuerza neta hacia el fondo, el pez con la vejiga natatoria dañada nada con la cabeza inclinada hacia arriba, generando con ese ángulo de inclinación una componente vertical de fuerza de sustentación hidrodinámica que sustituye, en parte, al volumen de gas perdido. El costo energético de mantener esa posición inclinada no crece en la misma proporción en que crece la fuerza neta hacia el fondo que hay que compensar, sino mucho más rápido: crece con el cuadrado de esa fuerza, de modo que una vejiga natatoria cada vez más dañada impone un costo energético que se dispara antes que la propia pérdida de flotabilidad. Existe además un segundo modo de falla, propio de los peces que habitan en profundidad y que tienen la vejiga natatoria dañada: si uno de estos peces asciende rápidamente hacia la superficie, el gas que aún queda dentro de la vejiga natatoria se expande, como ocurre con cualquier gas al reducirse la presión externa, pero la vejiga dañada ya no logra reabsorber ese gas que se expande. En conjunto, una vejiga natatoria dañada —ya sea que pierda gas lentamente, colapse de golpe, o se sobredistienda durante un ascenso rápido— deja al pez sin la función original de mantener su posición en la columna de agua sin esfuerzo.
ID:5143
Grupo 3: Grupo 3: Balance de flotabilidad y fuerza neta
Descripción
¿Cómo el volumen de gas compensa la mayor densidad de los tejidos?
Pregunta clave: ¿Cómo el volumen de gas compensa la mayor densidad de los tejidos?
El resultado inmediato de una vejiga natatoria que ya no compensa la densidad de los tejidos es una fuerza neta que empuja al pez hacia el fondo, y el pez solo puede contrarrestar esa fuerza con nado activo continuo, incluso cuando está en reposo, lo que le impone un costo metabólico enorme respecto de un pez con la vejiga natatoria intacta. A medida que el volumen de gas dentro de la vejiga natatoria disminuye por esta vía, la fuerza neta hacia el fondo descrita en el párrafo anterior se vuelve progresivamente más intensa. Para compensar esa fuerza neta hacia el fondo, el pez con la vejiga natatoria dañada nada con la cabeza inclinada hacia arriba, generando con ese ángulo de inclinación una componente vertical de fuerza de sustentación hidrodinámica que sustituye, en parte, al volumen de gas perdido. La vejiga natatoria termina sobredistendida, y esa sobredistensión genera una fuerza de empuje excesiva que empuja al pez irremediablemente hacia la superficie, en la dirección exactamente opuesta a la fuerza neta hacia el fondo que domina el resto del modelo. El costo energético de mantener esa posición inclinada no crece en la misma proporción en que crece la fuerza neta hacia el fondo que hay que compensar, sino mucho más rápido: crece con el cuadrado de esa fuerza, de modo que una vejiga natatoria cada vez más dañada impone un costo energético que se dispara antes que la propia pérdida de flotabilidad.
ID:5144
Grupo 4: Grupo 4: Compensación hidrodinámica activa
Descripción
¿Cómo el pez sustituye con nado inclinado la flotabilidad perdida?
Pregunta clave: ¿Cómo el pez sustituye con nado inclinado la flotabilidad perdida?
Para compensar esa fuerza neta hacia el fondo, el pez con la vejiga natatoria dañada nada con la cabeza inclinada hacia arriba, generando con ese ángulo de inclinación una componente vertical de fuerza de sustentación hidrodinámica que sustituye, en parte, al volumen de gas perdido. El resultado inmediato de una vejiga natatoria que ya no compensa la densidad de los tejidos es una fuerza neta que empuja al pez hacia el fondo, y el pez solo puede contrarrestar esa fuerza con nado activo continuo, incluso cuando está en reposo, lo que le impone un costo metabólico enorme respecto de un pez con la vejiga natatoria intacta.
ID:5145
Grupo 5: Grupo 5: Costo energético de la compensación
Descripción
¿Cómo la compensación activa incrementa arrastre, reduce eficiencia y eleva el costo energético?
Pregunta clave: ¿Cómo la compensación activa incrementa arrastre, reduce eficiencia y eleva el costo energético?
Nadar de ese modo, sin embargo, aumenta el arrastre que el pez debe vencer y reduce su eficiencia propulsiva general. El costo energético de mantener esa posición inclinada no crece en la misma proporción en que crece la fuerza neta hacia el fondo que hay que compensar, sino mucho más rápido: crece con el cuadrado de esa fuerza, de modo que una vejiga natatoria cada vez más dañada impone un costo energético que se dispara antes que la propia pérdida de flotabilidad. El resultado inmediato de una vejiga natatoria que ya no compensa la densidad de los tejidos es una fuerza neta que empuja al pez hacia el fondo, y el pez solo puede contrarrestar esa fuerza con nado activo continuo, incluso cuando está en reposo, lo que le impone un costo metabólico enorme respecto de un pez con la vejiga natatoria intacta.
ID:5146
Grupo 6: Grupo 6: Ascenso rápido y sobredistensión
Descripción
¿Cómo la caída de presión durante un ascenso invierte el fallo hacia empuje excesivo?
Pregunta clave: ¿Cómo la caída de presión durante un ascenso invierte el fallo hacia empuje excesivo?
Existe además un segundo modo de falla, propio de los peces que habitan en profundidad y que tienen la vejiga natatoria dañada: si uno de estos peces asciende rápidamente hacia la superficie, el gas que aún queda dentro de la vejiga natatoria se expande, como ocurre con cualquier gas al reducirse la presión externa, pero la vejiga dañada ya no logra reabsorber ese gas que se expande. En conjunto, una vejiga natatoria dañada —ya sea que pierda gas lentamente, colapse de golpe, o se sobredistienda durante un ascenso rápido— deja al pez sin la función original de mantener su posición en la columna de agua sin esfuerzo. La vejiga natatoria termina sobredistendida, y esa sobredistensión genera una fuerza de empuje excesiva que empuja al pez irremediablemente hacia la superficie, en la dirección exactamente opuesta a la fuerza neta hacia el fondo que domina el resto del modelo. En el fallo parcial, el gas se difunde hacia afuera de la vejiga dañada de un modo que sigue el mismo principio que la difusión a través de cualquier membrana lesionada: la tasa a la que se pierde el gas es mayor cuanto más grande es el área dañada de la membrana, mayor cuanto mayor es la diferencia de presión del gas entre el interior de la vejiga y el tejido que la rodea, y mayor cuanto más permeable se ha vuelto esa membrana dañada.
ID:5147
Grupo 7: Grupo 7: Observables conductuales finales
Descripción
¿Qué comportamientos observables resultan de la pérdida de control de flotabilidad?
Pregunta clave: ¿Qué comportamientos observables resultan de la pérdida de control de flotabilidad?
El comportamiento resultante es característico: el pez nada con un ángulo de inclinación corporal anormal, describe una natación circular en vez de una trayectoria recta, y pierde la capacidad de mantenerse estacionario en la columna de agua que un pez con la vejiga natatoria intacta da por sentada. En conjunto, una vejiga natatoria dañada —ya sea que pierda gas lentamente, colapse de golpe, o se sobredistienda durante un ascenso rápido— deja al pez sin la función original de mantener su posición en la columna de agua sin esfuerzo. El costo energético de mantener esa posición inclinada no crece en la misma proporción en que crece la fuerza neta hacia el fondo que hay que compensar, sino mucho más rápido: crece con el cuadrado de esa fuerza, de modo que una vejiga natatoria cada vez más dañada impone un costo energético que se dispara antes que la propia pérdida de flotabilidad.
ID:5148