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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo D3 - Análisis de Estela (Wake)
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:3094
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: Estela y transferencia de cantidad de movimiento
¿Cómo conecta la estela las fuerzas del pez con el fluido?
Grupo 2: Grupo 2: Velocimetría de la estela
¿Cómo se mide el campo de velocidades dentro de la estela?
Grupo 3: Grupo 3: Generación de anillos de vórtice
¿Cómo genera el batido caudal las estructuras vorticosas de la estela?
Grupo 4: Grupo 4: Circulación e impulso hidráulico
¿Cómo determina cada anillo el impulso y el empuje del semiciclo?
Grupo 5: Grupo 5: Arrastre por déficit de cantidad de movimiento
¿Cómo se obtiene el arrastre desde el flujo aguas abajo?
Grupo 6: Grupo 6: Balance de fuerzas y fuerza propulsiva neta
¿Cómo se comparan empuje y arrastre para cerrar las fuerzas?
Grupo 7: Grupo 7: Eficiencia y costo de transporte
¿Qué resultados energéticos permite inferir el análisis de estela?
Grupo 8: Grupo 8: Validación y discrepancias bidimensionales
¿Cómo revela el balance fuerzas no capturadas por el plano 2D?
ID:1051
Grupo 1: Grupo 1: Estela y transferencia de cantidad de movimiento
Descripción
¿Cómo conecta la estela las fuerzas del pez con el fluido?
Pregunta clave: ¿Cómo conecta la estela las fuerzas del pez con el fluido?
Por la tercera ley de Newton, la cantidad de movimiento que el pez deposita en la estela es igual, y de sentido opuesto, a la cantidad de movimiento que el fluido ejerció sobre el propio pez, es decir, al empuje que lo impulsa hacia adelante y al arrastre que se opone a su avance. Mientras el empuje del pez se obtiene a partir de los anillos de vórtice que deja en la estela, el arrastre total se obtiene por una vía distinta, a partir de lo que se conoce como el déficit de cantidad de movimiento en la estela: integrando el perfil de velocidades del fluido aguas abajo del pez, en un plano de control transversal a su trayectoria, la diferencia entre el flujo de cantidad de movimiento medido en ese plano y el flujo de cantidad de movimiento que tendría el fluido libre, sin el pez presente, da directamente la fuerza de arrastre, según el mismo principio de conservación de cantidad de movimiento que se aplica a cualquier volumen de control. En un pez que nada a velocidad constante, ese balance se traduce en un resultado esperado y verificable: el cociente entre el empuje medido por los vórtices y el arrastre medido por el déficit de cantidad de movimiento debería ser cercano a uno, confirmando que la misma estela descrita al comienzo de este modelo contiene, en efecto, toda la información necesaria para cerrar las cuentas de fuerzas del pez sin haber tocado ni instrumentado su cuerpo. Comparar ese empuje, obtenido a partir del impulso de los anillos de vórtice, con ese arrastre, obtenido a partir del déficit de cantidad de movimiento, permite verificar el balance energético completo del pez y detectar discrepancias que revelan contribuciones a las fuerzas que el plano bidimensional de la medición no logró capturar. Cada semiciclo del batido de la aleta caudal genera uno de esos anillos de vórtice, y el impulso hidráulico de ese anillo —que determina directamente el empuje generado durante ese semiciclo— depende de tres factores: la densidad del fluido, la circulación del propio anillo y el área que ese anillo encierra.
ID:5195
Grupo 2: Grupo 2: Velocimetría de la estela
Descripción
¿Cómo se mide el campo de velocidades dentro de la estela?
Pregunta clave: ¿Cómo se mide el campo de velocidades dentro de la estela?
Los datos de velocidad dentro de esa estela se obtienen principalmente con la misma técnica de velocimetría por imágenes de partículas descrita en el modelo anterior, o con su variante digital. Mientras el empuje del pez se obtiene a partir de los anillos de vórtice que deja en la estela, el arrastre total se obtiene por una vía distinta, a partir de lo que se conoce como el déficit de cantidad de movimiento en la estela: integrando el perfil de velocidades del fluido aguas abajo del pez, en un plano de control transversal a su trayectoria, la diferencia entre el flujo de cantidad de movimiento medido en ese plano y el flujo de cantidad de movimiento que tendría el fluido libre, sin el pez presente, da directamente la fuerza de arrastre, según el mismo principio de conservación de cantidad de movimiento que se aplica a cualquier volumen de control. Esa circulación de cada anillo de vórtice se mide, a su vez, integrando la vorticidad del fluido sobre el área que ocupa el vórtice en el mismo plano de medición que ilumina el láser.
ID:5196
Grupo 3: Grupo 3: Generación de anillos de vórtice
Descripción
¿Cómo genera el batido caudal las estructuras vorticosas de la estela?
Pregunta clave: ¿Cómo genera el batido caudal las estructuras vorticosas de la estela?
Cada semiciclo del batido de la aleta caudal genera uno de esos anillos de vórtice, y el impulso hidráulico de ese anillo —que determina directamente el empuje generado durante ese semiciclo— depende de tres factores: la densidad del fluido, la circulación del propio anillo y el área que ese anillo encierra. En un pez que nada usando el cuerpo y la aleta caudal como principal fuente de propulsión, la estela muestra una sucesión de vórtices con forma de anillo, dispuestos con su eje perpendicular al plano en el que la aleta caudal bate de un lado a otro. Esa circulación de cada anillo de vórtice se mide, a su vez, integrando la vorticidad del fluido sobre el área que ocupa el vórtice en el mismo plano de medición que ilumina el láser. Mientras el empuje del pez se obtiene a partir de los anillos de vórtice que deja en la estela, el arrastre total se obtiene por una vía distinta, a partir de lo que se conoce como el déficit de cantidad de movimiento en la estela: integrando el perfil de velocidades del fluido aguas abajo del pez, en un plano de control transversal a su trayectoria, la diferencia entre el flujo de cantidad de movimiento medido en ese plano y el flujo de cantidad de movimiento que tendría el fluido libre, sin el pez presente, da directamente la fuerza de arrastre, según el mismo principio de conservación de cantidad de movimiento que se aplica a cualquier volumen de control. Comparar ese empuje, obtenido a partir del impulso de los anillos de vórtice, con ese arrastre, obtenido a partir del déficit de cantidad de movimiento, permite verificar el balance energético completo del pez y detectar discrepancias que revelan contribuciones a las fuerzas que el plano bidimensional de la medición no logró capturar.
ID:5197
Grupo 4: Grupo 4: Circulación e impulso hidráulico
Descripción
¿Cómo determina cada anillo el impulso y el empuje del semiciclo?
Pregunta clave: ¿Cómo determina cada anillo el impulso y el empuje del semiciclo?
Cada semiciclo del batido de la aleta caudal genera uno de esos anillos de vórtice, y el impulso hidráulico de ese anillo —que determina directamente el empuje generado durante ese semiciclo— depende de tres factores: la densidad del fluido, la circulación del propio anillo y el área que ese anillo encierra. Esa circulación de cada anillo de vórtice se mide, a su vez, integrando la vorticidad del fluido sobre el área que ocupa el vórtice en el mismo plano de medición que ilumina el láser. Por la tercera ley de Newton, la cantidad de movimiento que el pez deposita en la estela es igual, y de sentido opuesto, a la cantidad de movimiento que el fluido ejerció sobre el propio pez, es decir, al empuje que lo impulsa hacia adelante y al arrastre que se opone a su avance. Mientras el empuje del pez se obtiene a partir de los anillos de vórtice que deja en la estela, el arrastre total se obtiene por una vía distinta, a partir de lo que se conoce como el déficit de cantidad de movimiento en la estela: integrando el perfil de velocidades del fluido aguas abajo del pez, en un plano de control transversal a su trayectoria, la diferencia entre el flujo de cantidad de movimiento medido en ese plano y el flujo de cantidad de movimiento que tendría el fluido libre, sin el pez presente, da directamente la fuerza de arrastre, según el mismo principio de conservación de cantidad de movimiento que se aplica a cualquier volumen de control. En un pez que nada usando el cuerpo y la aleta caudal como principal fuente de propulsión, la estela muestra una sucesión de vórtices con forma de anillo, dispuestos con su eje perpendicular al plano en el que la aleta caudal bate de un lado a otro.
ID:5198
Grupo 5: Grupo 5: Arrastre por déficit de cantidad de movimiento
Descripción
¿Cómo se obtiene el arrastre desde el flujo aguas abajo?
Pregunta clave: ¿Cómo se obtiene el arrastre desde el flujo aguas abajo?
Mientras el empuje del pez se obtiene a partir de los anillos de vórtice que deja en la estela, el arrastre total se obtiene por una vía distinta, a partir de lo que se conoce como el déficit de cantidad de movimiento en la estela: integrando el perfil de velocidades del fluido aguas abajo del pez, en un plano de control transversal a su trayectoria, la diferencia entre el flujo de cantidad de movimiento medido en ese plano y el flujo de cantidad de movimiento que tendría el fluido libre, sin el pez presente, da directamente la fuerza de arrastre, según el mismo principio de conservación de cantidad de movimiento que se aplica a cualquier volumen de control. Comparar ese empuje, obtenido a partir del impulso de los anillos de vórtice, con ese arrastre, obtenido a partir del déficit de cantidad de movimiento, permite verificar el balance energético completo del pez y detectar discrepancias que revelan contribuciones a las fuerzas que el plano bidimensional de la medición no logró capturar. En un pez que nada a velocidad constante, ese balance se traduce en un resultado esperado y verificable: el cociente entre el empuje medido por los vórtices y el arrastre medido por el déficit de cantidad de movimiento debería ser cercano a uno, confirmando que la misma estela descrita al comienzo de este modelo contiene, en efecto, toda la información necesaria para cerrar las cuentas de fuerzas del pez sin haber tocado ni instrumentado su cuerpo. Por la tercera ley de Newton, la cantidad de movimiento que el pez deposita en la estela es igual, y de sentido opuesto, a la cantidad de movimiento que el fluido ejerció sobre el propio pez, es decir, al empuje que lo impulsa hacia adelante y al arrastre que se opone a su avance.
ID:5199
Grupo 6: Grupo 6: Balance de fuerzas y fuerza propulsiva neta
Descripción
¿Cómo se comparan empuje y arrastre para cerrar las fuerzas?
Pregunta clave: ¿Cómo se comparan empuje y arrastre para cerrar las fuerzas?
En un pez que nada a velocidad constante, ese balance se traduce en un resultado esperado y verificable: el cociente entre el empuje medido por los vórtices y el arrastre medido por el déficit de cantidad de movimiento debería ser cercano a uno, confirmando que la misma estela descrita al comienzo de este modelo contiene, en efecto, toda la información necesaria para cerrar las cuentas de fuerzas del pez sin haber tocado ni instrumentado su cuerpo. Gracias a esta correspondencia, analizar la estela permite calcular la fuerza propulsiva neta del pez, su eficiencia propulsiva y su costo de transporte sin necesidad de instrumentar directamente al pez, lo que hace de este análisis una herramienta especialmente valiosa para estudiar peces nadando en su ambiente natural. Comparar ese empuje, obtenido a partir del impulso de los anillos de vórtice, con ese arrastre, obtenido a partir del déficit de cantidad de movimiento, permite verificar el balance energético completo del pez y detectar discrepancias que revelan contribuciones a las fuerzas que el plano bidimensional de la medición no logró capturar. Mientras el empuje del pez se obtiene a partir de los anillos de vórtice que deja en la estela, el arrastre total se obtiene por una vía distinta, a partir de lo que se conoce como el déficit de cantidad de movimiento en la estela: integrando el perfil de velocidades del fluido aguas abajo del pez, en un plano de control transversal a su trayectoria, la diferencia entre el flujo de cantidad de movimiento medido en ese plano y el flujo de cantidad de movimiento que tendría el fluido libre, sin el pez presente, da directamente la fuerza de arrastre, según el mismo principio de conservación de cantidad de movimiento que se aplica a cualquier volumen de control.
ID:5200
Grupo 7: Grupo 7: Eficiencia y costo de transporte
Descripción
¿Qué resultados energéticos permite inferir el análisis de estela?
Pregunta clave: ¿Qué resultados energéticos permite inferir el análisis de estela?
Gracias a esta correspondencia, analizar la estela permite calcular la fuerza propulsiva neta del pez, su eficiencia propulsiva y su costo de transporte sin necesidad de instrumentar directamente al pez, lo que hace de este análisis una herramienta especialmente valiosa para estudiar peces nadando en su ambiente natural.
ID:5201
Grupo 8: Grupo 8: Validación y discrepancias bidimensionales
Descripción
¿Cómo revela el balance fuerzas no capturadas por el plano 2D?
Pregunta clave: ¿Cómo revela el balance fuerzas no capturadas por el plano 2D?
Comparar ese empuje, obtenido a partir del impulso de los anillos de vórtice, con ese arrastre, obtenido a partir del déficit de cantidad de movimiento, permite verificar el balance energético completo del pez y detectar discrepancias que revelan contribuciones a las fuerzas que el plano bidimensional de la medición no logró capturar. En un pez que nada a velocidad constante, ese balance se traduce en un resultado esperado y verificable: el cociente entre el empuje medido por los vórtices y el arrastre medido por el déficit de cantidad de movimiento debería ser cercano a uno, confirmando que la misma estela descrita al comienzo de este modelo contiene, en efecto, toda la información necesaria para cerrar las cuentas de fuerzas del pez sin haber tocado ni instrumentado su cuerpo. Mientras el empuje del pez se obtiene a partir de los anillos de vórtice que deja en la estela, el arrastre total se obtiene por una vía distinta, a partir de lo que se conoce como el déficit de cantidad de movimiento en la estela: integrando el perfil de velocidades del fluido aguas abajo del pez, en un plano de control transversal a su trayectoria, la diferencia entre el flujo de cantidad de movimiento medido en ese plano y el flujo de cantidad de movimiento que tendría el fluido libre, sin el pez presente, da directamente la fuerza de arrastre, según el mismo principio de conservación de cantidad de movimiento que se aplica a cualquier volumen de control.
ID:5202