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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E1 - Propulsión por Generación de Torbellinos
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:3055
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: Cinemática del batido caudal
¿Qué cinemática de la aleta controla la generación de vórtices?
Grupo 2: Grupo 2: Generación de circulación y vórtices
¿Cómo genera el batido estructuras vorticosas?
Grupo 3: Grupo 3: Calle inversa y chorro propulsivo
¿Cómo convierte la estela vorticosa el movimiento de la cola en momento hacia atrás?
Grupo 4: Grupo 4: Impulso y fuerza de empuje
¿Cómo se convierte la circulación vorticosa en empuje sobre el pez?
Grupo 5: Grupo 5: Número de Strouhal y régimen óptimo
¿Cómo se compara y optimiza la cinemática entre tamaños y velocidades?
Grupo 6: Grupo 6: Potencia y eficiencia propulsiva
¿Cómo se relacionan empuje, energía de estela y eficiencia final?
ID:1034
Grupo 1: Grupo 1: Cinemática del batido caudal
Descripción
¿Qué cinemática de la aleta controla la generación de vórtices?
Pregunta clave: ¿Qué cinemática de la aleta controla la generación de vórtices?
El comportamiento esperado en la propulsión por torbellinos es que la fuerza de empuje crece con el cuadrado de la velocidad con que bate la aleta, y que para cada velocidad de crucero existe una frecuencia de batido óptima que maximiza esa eficiencia, cerrando el vínculo entre la frecuencia y la amplitud del batido introducidas al comienzo de este modelo y el rendimiento final de la propulsión por torbellinos. Para comparar la cinemática del batido de la aleta caudal entre peces de tamaños y velocidades distintas, se recurre a un número adimensional, el número de Strouhal, que combina la frecuencia del batido, la amplitud de punta a punta que recorre la cola y la velocidad de nado del pez en una sola cantidad sin unidades. La frecuencia con la que la aleta caudal bate y la amplitud de ese batido determinan, a su vez, cuánta circulación tiene cada vórtice que se desprende, y por lo tanto determinan también la fuerza de empuje media que el pez obtiene de la propulsión por torbellinos. Cuando la aleta caudal bate de un lado a otro dentro del fluido, genera vórtices que giran en sentidos opuestos y que se desprenden alternadamente desde cada extremo del borde posterior de la aleta, formando una calle de vórtices que se conoce como calle de von Kármán inversa.
ID:5009
Grupo 2: Grupo 2: Generación de circulación y vórtices
Descripción
¿Cómo genera el batido estructuras vorticosas?
Pregunta clave: ¿Cómo genera el batido estructuras vorticosas?
El impulso hidráulico de cada uno de esos vórtices es proporcional a la circulación del vórtice —una medida de cuánto gira el fluido a su alrededor— y a la densidad del fluido. Cuando la aleta caudal bate de un lado a otro dentro del fluido, genera vórtices que giran en sentidos opuestos y que se desprenden alternadamente desde cada extremo del borde posterior de la aleta, formando una calle de vórtices que se conoce como calle de von Kármán inversa. La frecuencia con la que la aleta caudal bate y la amplitud de ese batido determinan, a su vez, cuánta circulación tiene cada vórtice que se desprende, y por lo tanto determinan también la fuerza de empuje media que el pez obtiene de la propulsión por torbellinos.
ID:5010
Grupo 3: Grupo 3: Calle inversa y chorro propulsivo
Descripción
¿Cómo convierte la estela vorticosa el movimiento de la cola en momento hacia atrás?
Pregunta clave: ¿Cómo convierte la estela vorticosa el movimiento de la cola en momento hacia atrás?
Esta calle de vórtices inversa se distingue de la calle de von Kármán pasiva que se forma detrás de un cuerpo rígido y que produce arrastre: la calle inversa, en cambio, inyecta cantidad de movimiento hacia atrás en el fluido, generando un chorro propulsivo que, por la tercera ley de Newton, impulsa al pez hacia adelante. Cuando la aleta caudal bate de un lado a otro dentro del fluido, genera vórtices que giran en sentidos opuestos y que se desprenden alternadamente desde cada extremo del borde posterior de la aleta, formando una calle de vórtices que se conoce como calle de von Kármán inversa.
ID:5011
Grupo 4: Grupo 4: Impulso y fuerza de empuje
Descripción
¿Cómo se convierte la circulación vorticosa en empuje sobre el pez?
Pregunta clave: ¿Cómo se convierte la circulación vorticosa en empuje sobre el pez?
La frecuencia con la que la aleta caudal bate y la amplitud de ese batido determinan, a su vez, cuánta circulación tiene cada vórtice que se desprende, y por lo tanto determinan también la fuerza de empuje media que el pez obtiene de la propulsión por torbellinos. El comportamiento esperado en la propulsión por torbellinos es que la fuerza de empuje crece con el cuadrado de la velocidad con que bate la aleta, y que para cada velocidad de crucero existe una frecuencia de batido óptima que maximiza esa eficiencia, cerrando el vínculo entre la frecuencia y la amplitud del batido introducidas al comienzo de este modelo y el rendimiento final de la propulsión por torbellinos. Esta calle de vórtices inversa se distingue de la calle de von Kármán pasiva que se forma detrás de un cuerpo rígido y que produce arrastre: la calle inversa, en cambio, inyecta cantidad de movimiento hacia atrás en el fluido, generando un chorro propulsivo que, por la tercera ley de Newton, impulsa al pez hacia adelante. El impulso hidráulico de cada uno de esos vórtices es proporcional a la circulación del vórtice —una medida de cuánto gira el fluido a su alrededor— y a la densidad del fluido.
ID:5012
Grupo 5: Grupo 5: Número de Strouhal y régimen óptimo
Descripción
¿Cómo se compara y optimiza la cinemática entre tamaños y velocidades?
Pregunta clave: ¿Cómo se compara y optimiza la cinemática entre tamaños y velocidades?
De forma empírica, se observa que los peces nadan con un número de Strouhal de entre cero coma veinticinco y cero coma treinta y cinco, precisamente el rango en el que, según el teorema de Triantafyllou, la generación de empuje por la calle de vórtices alcanza su eficiencia máxima. Los peces fusiformes de nado rápido, como el atún, alcanzan eficiencias de entre un ochenta y un noventa por ciento gracias a que operan cerca de ese mismo rango óptimo del número de Strouhal descrito antes. Para comparar la cinemática del batido de la aleta caudal entre peces de tamaños y velocidades distintas, se recurre a un número adimensional, el número de Strouhal, que combina la frecuencia del batido, la amplitud de punta a punta que recorre la cola y la velocidad de nado del pez en una sola cantidad sin unidades. La eficiencia propulsiva hidrodinámica, también llamada eficiencia de Froude, compara la potencia útil que el pez dedica a generar empuje con la potencia total que le entrega al fluido, incluyendo la energía cinética que queda depositada en la estela y que no contribuye al empuje.
ID:5013
Grupo 6: Grupo 6: Potencia y eficiencia propulsiva
Descripción
¿Cómo se relacionan empuje, energía de estela y eficiencia final?
Pregunta clave: ¿Cómo se relacionan empuje, energía de estela y eficiencia final?
La eficiencia propulsiva hidrodinámica, también llamada eficiencia de Froude, compara la potencia útil que el pez dedica a generar empuje con la potencia total que le entrega al fluido, incluyendo la energía cinética que queda depositada en la estela y que no contribuye al empuje. El comportamiento esperado en la propulsión por torbellinos es que la fuerza de empuje crece con el cuadrado de la velocidad con que bate la aleta, y que para cada velocidad de crucero existe una frecuencia de batido óptima que maximiza esa eficiencia, cerrando el vínculo entre la frecuencia y la amplitud del batido introducidas al comienzo de este modelo y el rendimiento final de la propulsión por torbellinos. De forma empírica, se observa que los peces nadan con un número de Strouhal de entre cero coma veinticinco y cero coma treinta y cinco, precisamente el rango en el que, según el teorema de Triantafyllou, la generación de empuje por la calle de vórtices alcanza su eficiencia máxima. La frecuencia con la que la aleta caudal bate y la amplitud de ese batido determinan, a su vez, cuánta circulación tiene cada vórtice que se desprende, y por lo tanto determinan también la fuerza de empuje media que el pez obtiene de la propulsión por torbellinos. Para comparar la cinemática del batido de la aleta caudal entre peces de tamaños y velocidades distintas, se recurre a un número adimensional, el número de Strouhal, que combina la frecuencia del batido, la amplitud de punta a punta que recorre la cola y la velocidad de nado del pez en una sola cantidad sin unidades.
ID:5014