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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E2 - Control con Múltiples Aletas
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:3058
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: Geometría activa de las aletas
¿Cómo modifican las aletas flexibles su geometría de control?
Grupo 2: Grupo 2: Generación de sustentación y arrastre
¿Cómo convierte cada aleta el flujo incidente en fuerzas hidrodinámicas?
Grupo 3: Grupo 3: Distribución de funciones entre aletas
¿Cómo se distribuyen las funciones de control y propulsión entre las distintas aletas?
Grupo 4: Grupo 4: Momentos y control en seis grados de libertad
¿Cómo producen las fuerzas de las aletas traslaciones y rotaciones del pez?
Grupo 5: Grupo 5: Estabilidad estática y dinámica
¿Cómo mantiene el pez una condición estable mediante geometría de fuerzas y retroalimentación?
Grupo 6: Grupo 6: Maniobra impulsiva por masa añadida
¿Cómo generan las aceleraciones rápidas de las aletas fuerzas transitorias?
Grupo 7: Grupo 7: Balance rectilíneo y asimetría de maniobra
¿Cómo cambia el balance de fuerzas entre nado recto y maniobra?
ID:1035
Grupo 1: Grupo 1: Geometría activa de las aletas
Descripción
¿Cómo modifican las aletas flexibles su geometría de control?
Pregunta clave: ¿Cómo modifican las aletas flexibles su geometría de control?
A diferencia de las superficies de control rígidas que usan las aeronaves, las aletas del pez son superficies flexibles y deformables, capaces de cambiar activamente su propia geometría —su área, su ángulo de ataque, su curvatura— mediante una musculatura intrínseca propia de cada aleta, lo que le permite al pez controlar con precisión las fuerzas que actúan sobre su cuerpo en los seis grados de libertad posibles: tres de traslación y tres de rotación. Cada una de esas aletas actúa como una superficie sustentadora, generando una fuerza normal a su superficie, la sustentación, y una fuerza tangencial a lo largo de ella, el arrastre; ambas fuerzas dependen de un coeficiente de sustentación y de un coeficiente de arrastre propios de cada aleta, que a su vez dependen del ángulo de ataque con que la aleta corta el flujo y del número de Reynolds al que esa aleta opera. El comportamiento esperado de este sistema de control hidrodinámico distribuido es que, durante el nado en línea recta a velocidad constante, la resultante de todas las fuerzas que producen las distintas aletas del pez es exactamente cero, de modo que ninguna aleta desvía al pez de su trayectoria. En cambio, durante una maniobra, el pez introduce una asimetría controlada entre las fuerzas de aletas opuestas —por ejemplo, entre la aleta pectoral de un lado y la del otro— y esa asimetría es precisamente la que genera los pares necesarios para cambiar de dirección. El par de maniobrabilidad que genera cada aleta es el producto de la fuerza de sustentación que esa aleta produce por el brazo de momento que la separa del centro de masa del pez.
ID:5015
Grupo 2: Grupo 2: Generación de sustentación y arrastre
Descripción
¿Cómo convierte cada aleta el flujo incidente en fuerzas hidrodinámicas?
Pregunta clave: ¿Cómo convierte cada aleta el flujo incidente en fuerzas hidrodinámicas?
Cada una de esas aletas actúa como una superficie sustentadora, generando una fuerza normal a su superficie, la sustentación, y una fuerza tangencial a lo largo de ella, el arrastre; ambas fuerzas dependen de un coeficiente de sustentación y de un coeficiente de arrastre propios de cada aleta, que a su vez dependen del ángulo de ataque con que la aleta corta el flujo y del número de Reynolds al que esa aleta opera. El par de maniobrabilidad que genera cada aleta es el producto de la fuerza de sustentación que esa aleta produce por el brazo de momento que la separa del centro de masa del pez.
ID:5016
Grupo 3: Grupo 3: Distribución de funciones entre aletas
Descripción
¿Cómo se distribuyen las funciones de control y propulsión entre las distintas aletas?
Pregunta clave: ¿Cómo se distribuyen las funciones de control y propulsión entre las distintas aletas?
El pez posee un sistema de control hidrodinámico distribuido, compuesto por varias superficies distintas —las aletas pectorales, las pélvicas, la dorsal, la anal y la caudal— cada una encargada de generar un tipo específico de fuerza. El comportamiento esperado de este sistema de control hidrodinámico distribuido es que, durante el nado en línea recta a velocidad constante, la resultante de todas las fuerzas que producen las distintas aletas del pez es exactamente cero, de modo que ninguna aleta desvía al pez de su trayectoria. Entre estas aletas, las aletas pectorales son las principales responsables de mantener el equilibrio de cabeceo y de guiñada del pez, y también de propulsarlo cuando nada lento, en lo que se conoce como modo de nado labriforme. A diferencia de las superficies de control rígidas que usan las aeronaves, las aletas del pez son superficies flexibles y deformables, capaces de cambiar activamente su propia geometría —su área, su ángulo de ataque, su curvatura— mediante una musculatura intrínseca propia de cada aleta, lo que le permite al pez controlar con precisión las fuerzas que actúan sobre su cuerpo en los seis grados de libertad posibles: tres de traslación y tres de rotación. Cada una de esas aletas actúa como una superficie sustentadora, generando una fuerza normal a su superficie, la sustentación, y una fuerza tangencial a lo largo de ella, el arrastre; ambas fuerzas dependen de un coeficiente de sustentación y de un coeficiente de arrastre propios de cada aleta, que a su vez dependen del ángulo de ataque con que la aleta corta el flujo y del número de Reynolds al que esa aleta opera.
ID:5017
Grupo 4: Grupo 4: Momentos y control en seis grados de libertad
Descripción
¿Cómo producen las fuerzas de las aletas traslaciones y rotaciones del pez?
Pregunta clave: ¿Cómo producen las fuerzas de las aletas traslaciones y rotaciones del pez?
El par de maniobrabilidad que genera cada aleta es el producto de la fuerza de sustentación que esa aleta produce por el brazo de momento que la separa del centro de masa del pez. A diferencia de las superficies de control rígidas que usan las aeronaves, las aletas del pez son superficies flexibles y deformables, capaces de cambiar activamente su propia geometría —su área, su ángulo de ataque, su curvatura— mediante una musculatura intrínseca propia de cada aleta, lo que le permite al pez controlar con precisión las fuerzas que actúan sobre su cuerpo en los seis grados de libertad posibles: tres de traslación y tres de rotación. Entre estas aletas, las aletas pectorales son las principales responsables de mantener el equilibrio de cabeceo y de guiñada del pez, y también de propulsarlo cuando nada lento, en lo que se conoce como modo de nado labriforme. Para las maniobras rápidas, en cambio, el pez recurre a un mecanismo distinto del par de maniobrabilidad descrito antes: la generación de vórtices transitorios mediante lo que se conoce como el efecto de masa añadida.
ID:5018
Grupo 5: Grupo 5: Estabilidad estática y dinámica
Descripción
¿Cómo mantiene el pez una condición estable mediante geometría de fuerzas y retroalimentación?
Pregunta clave: ¿Cómo mantiene el pez una condición estable mediante geometría de fuerzas y retroalimentación?
La estabilidad del pez que resulta de la acción conjunta de todas estas aletas puede ser de dos tipos: la estabilidad estática se logra cuando el punto de presión resultante de todas las fuerzas de las aletas coincide exactamente con el centro de gravedad del pez, mientras que la estabilidad dinámica, en cambio, no surge solo de esa geometría de fuerzas, sino que requiere que el pez la sostenga activamente mediante retroalimentación neural.
ID:5019
Grupo 6: Grupo 6: Maniobra impulsiva por masa añadida
Descripción
¿Cómo generan las aceleraciones rápidas de las aletas fuerzas transitorias?
Pregunta clave: ¿Cómo generan las aceleraciones rápidas de las aletas fuerzas transitorias?
Para las maniobras rápidas, en cambio, el pez recurre a un mecanismo distinto del par de maniobrabilidad descrito antes: la generación de vórtices transitorios mediante lo que se conoce como el efecto de masa añadida. Al acelerar o desacelerar una aleta bruscamente, el pez agrega o quita cantidad de movimiento al fluido que la rodea, generando fuerzas impulsivas que son proporcionales a la aceleración de esa misma superficie de la aleta. El par de maniobrabilidad que genera cada aleta es el producto de la fuerza de sustentación que esa aleta produce por el brazo de momento que la separa del centro de masa del pez. Cada una de esas aletas actúa como una superficie sustentadora, generando una fuerza normal a su superficie, la sustentación, y una fuerza tangencial a lo largo de ella, el arrastre; ambas fuerzas dependen de un coeficiente de sustentación y de un coeficiente de arrastre propios de cada aleta, que a su vez dependen del ángulo de ataque con que la aleta corta el flujo y del número de Reynolds al que esa aleta opera.
ID:5020
Grupo 7: Grupo 7: Balance rectilíneo y asimetría de maniobra
Descripción
¿Cómo cambia el balance de fuerzas entre nado recto y maniobra?
Pregunta clave: ¿Cómo cambia el balance de fuerzas entre nado recto y maniobra?
En cambio, durante una maniobra, el pez introduce una asimetría controlada entre las fuerzas de aletas opuestas —por ejemplo, entre la aleta pectoral de un lado y la del otro— y esa asimetría es precisamente la que genera los pares necesarios para cambiar de dirección. El comportamiento esperado de este sistema de control hidrodinámico distribuido es que, durante el nado en línea recta a velocidad constante, la resultante de todas las fuerzas que producen las distintas aletas del pez es exactamente cero, de modo que ninguna aleta desvía al pez de su trayectoria. La estabilidad del pez que resulta de la acción conjunta de todas estas aletas puede ser de dos tipos: la estabilidad estática se logra cuando el punto de presión resultante de todas las fuerzas de las aletas coincide exactamente con el centro de gravedad del pez, mientras que la estabilidad dinámica, en cambio, no surge solo de esa geometría de fuerzas, sino que requiere que el pez la sostenga activamente mediante retroalimentación neural. A diferencia de las superficies de control rígidas que usan las aeronaves, las aletas del pez son superficies flexibles y deformables, capaces de cambiar activamente su propia geometría —su área, su ángulo de ataque, su curvatura— mediante una musculatura intrínseca propia de cada aleta, lo que le permite al pez controlar con precisión las fuerzas que actúan sobre su cuerpo en los seis grados de libertad posibles: tres de traslación y tres de rotación. Cada una de esas aletas actúa como una superficie sustentadora, generando una fuerza normal a su superficie, la sustentación, y una fuerza tangencial a lo largo de ella, el arrastre; ambas fuerzas dependen de un coeficiente de sustentación y de un coeficiente de arrastre propios de cada aleta, que a su vez dependen del ángulo de ataque con que la aleta corta el flujo y del número de Reynolds al que esa aleta opera.
ID:5021