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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E3 - Modos de Nado y Número de Reynolds
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:3061
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: Régimen hidrodinámico y número de Reynolds
¿Cómo determinan velocidad, tamaño y viscosidad el régimen de flujo?
Grupo 2: Grupo 2: Arquitectura cinemática de la propulsión
¿Qué estructuras corporales participan activamente en la propulsión?
Grupo 3: Grupo 3: Espectro cuerpo–aleta caudal
¿Cómo cambia la ondulación desde anguiliforme hasta tuniforme?
Grupo 4: Grupo 4: Propulsión por aletas medianas y pares
¿Cómo generan empuje las aletas con el cuerpo rígido?
Grupo 5: Grupo 5: Velocidad de onda, velocidad de nado y empuje
¿Qué condición cinemática permite producir empuje neto?
Grupo 6: Grupo 6: Eficiencia cinemática y límite sin propulsión
¿Cómo define la razón de velocidades la eficiencia y su límite?
Grupo 7: Grupo 7: Compromiso eficiencia–maniobrabilidad
¿Cómo se relacionan modo, velocidad y Reynolds con eficiencia y maniobrabilidad?
ID:1036
Grupo 1: Grupo 1: Régimen hidrodinámico y número de Reynolds
Descripción
¿Cómo determinan velocidad, tamaño y viscosidad el régimen de flujo?
Pregunta clave: ¿Cómo determinan velocidad, tamaño y viscosidad el régimen de flujo?
El número de Reynolds compara las fuerzas inerciales del fluido con sus fuerzas viscosas, y depende de la velocidad de nado, del tamaño del pez y de la viscosidad del agua: cuando el número de Reynolds es menor que uno, domina la viscosidad del fluido, como ocurre en las larvas de pez o en el nado por medio de una cola flagelada; cuando el número de Reynolds se encuentra entre uno y mil, el flujo está en un régimen de transición; y cuando el número de Reynolds supera las mil unidades, dominan las fuerzas inerciales y aparece la hidrodinámica convencional de generación de vórtices descrita en un modelo anterior de esta colección. El comportamiento esperado a lo largo de este espectro de modos de nado es que los modos más concentrados en la aleta caudal, como el modo tuniforme, resultan más eficientes a alta velocidad, mientras que los modos que ondulan el cuerpo completo, como el anguiliforme, resultan más maniobrables a baja velocidad y en un régimen de número de Reynolds moderado, el mismo número de Reynolds que se introdujo al comienzo de este modelo como uno de los dos criterios que clasifican los modos de nado de los peces. Los modos de nado en los peces se clasifican según dos criterios: qué porción del cuerpo participa activamente en la propulsión, y el régimen de flujo en el que ese pez nada, caracterizado por el número de Reynolds. En cualquiera de estos modos de nado, la velocidad con que la onda cinemática recorre el cuerpo del pez debe ser mayor que la velocidad de nado del propio pez para que exista un empuje neto hacia adelante; la relación entre la velocidad de nado y la velocidad de esa onda cinemática define, precisamente, la eficiencia cinemática del modo de nado. En el caso límite en que la velocidad de nado se iguala a la velocidad de la onda cinemática, ya no queda empuje disponible, y el cuerpo ondulante del pez se limita a desplazarse sin generar propulsión neta, como ocurriría con una anguila que ondulara su cuerpo en un modo de puro desplazamiento sin avanzar.
ID:5022
Grupo 2: Grupo 2: Arquitectura cinemática de la propulsión
Descripción
¿Qué estructuras corporales participan activamente en la propulsión?
Pregunta clave: ¿Qué estructuras corporales participan activamente en la propulsión?
Además de este régimen de flujo, la clasificación cinemática de los modos de nado distingue entre los modos que usan el cuerpo y la aleta caudal, donde la ondulación se propaga desde la cabeza o desde la mitad del cuerpo hacia la cola, y los modos que usan las aletas medianas y pares, donde las aletas pectorales, dorsales o pélvicas generan el empuje mientras el resto del cuerpo permanece rígido. Dentro de los modos que usan el cuerpo y la aleta caudal, existe todo un espectro según cuánta porción del cuerpo participa en la ondulación: el modo anguiliforme, propio de la anguila, propaga una onda de gran amplitud a lo largo de todo el cuerpo; el modo subcarangiforme, propio de la trucha, concentra esa ondulación en el tercio posterior del cuerpo; el modo carangiforme, propio de la caballa, usa solamente el pedúnculo caudal y la propia aleta caudal; y el modo tuniforme, propio del atún, mantiene el cuerpo completamente rígido y limita todo el movimiento ondulatorio a un batido de la aleta caudal con un número de Strouhal alto. El comportamiento esperado a lo largo de este espectro de modos de nado es que los modos más concentrados en la aleta caudal, como el modo tuniforme, resultan más eficientes a alta velocidad, mientras que los modos que ondulan el cuerpo completo, como el anguiliforme, resultan más maniobrables a baja velocidad y en un régimen de número de Reynolds moderado, el mismo número de Reynolds que se introdujo al comienzo de este modelo como uno de los dos criterios que clasifican los modos de nado de los peces. En cualquiera de estos modos de nado, la velocidad con que la onda cinemática recorre el cuerpo del pez debe ser mayor que la velocidad de nado del propio pez para que exista un empuje neto hacia adelante; la relación entre la velocidad de nado y la velocidad de esa onda cinemática define, precisamente, la eficiencia cinemática del modo de nado. Los modos de nado en los peces se clasifican según dos criterios: qué porción del cuerpo participa activamente en la propulsión, y el régimen de flujo en el que ese pez nada, caracterizado por el número de Reynolds.
ID:5023
Grupo 3: Grupo 3: Espectro cuerpo–aleta caudal
Descripción
¿Cómo cambia la ondulación desde anguiliforme hasta tuniforme?
Pregunta clave: ¿Cómo cambia la ondulación desde anguiliforme hasta tuniforme?
Dentro de los modos que usan el cuerpo y la aleta caudal, existe todo un espectro según cuánta porción del cuerpo participa en la ondulación: el modo anguiliforme, propio de la anguila, propaga una onda de gran amplitud a lo largo de todo el cuerpo; el modo subcarangiforme, propio de la trucha, concentra esa ondulación en el tercio posterior del cuerpo; el modo carangiforme, propio de la caballa, usa solamente el pedúnculo caudal y la propia aleta caudal; y el modo tuniforme, propio del atún, mantiene el cuerpo completamente rígido y limita todo el movimiento ondulatorio a un batido de la aleta caudal con un número de Strouhal alto. El comportamiento esperado a lo largo de este espectro de modos de nado es que los modos más concentrados en la aleta caudal, como el modo tuniforme, resultan más eficientes a alta velocidad, mientras que los modos que ondulan el cuerpo completo, como el anguiliforme, resultan más maniobrables a baja velocidad y en un régimen de número de Reynolds moderado, el mismo número de Reynolds que se introdujo al comienzo de este modelo como uno de los dos criterios que clasifican los modos de nado de los peces. En el caso límite en que la velocidad de nado se iguala a la velocidad de la onda cinemática, ya no queda empuje disponible, y el cuerpo ondulante del pez se limita a desplazarse sin generar propulsión neta, como ocurriría con una anguila que ondulara su cuerpo en un modo de puro desplazamiento sin avanzar. En cualquiera de estos modos de nado, la velocidad con que la onda cinemática recorre el cuerpo del pez debe ser mayor que la velocidad de nado del propio pez para que exista un empuje neto hacia adelante; la relación entre la velocidad de nado y la velocidad de esa onda cinemática define, precisamente, la eficiencia cinemática del modo de nado. Los modos de nado en los peces se clasifican según dos criterios: qué porción del cuerpo participa activamente en la propulsión, y el régimen de flujo en el que ese pez nada, caracterizado por el número de Reynolds.
ID:5024
Grupo 4: Grupo 4: Propulsión por aletas medianas y pares
Descripción
¿Cómo generan empuje las aletas con el cuerpo rígido?
Pregunta clave: ¿Cómo generan empuje las aletas con el cuerpo rígido?
Además de este régimen de flujo, la clasificación cinemática de los modos de nado distingue entre los modos que usan el cuerpo y la aleta caudal, donde la ondulación se propaga desde la cabeza o desde la mitad del cuerpo hacia la cola, y los modos que usan las aletas medianas y pares, donde las aletas pectorales, dorsales o pélvicas generan el empuje mientras el resto del cuerpo permanece rígido. En el caso límite en que la velocidad de nado se iguala a la velocidad de la onda cinemática, ya no queda empuje disponible, y el cuerpo ondulante del pez se limita a desplazarse sin generar propulsión neta, como ocurriría con una anguila que ondulara su cuerpo en un modo de puro desplazamiento sin avanzar.
ID:5025
Grupo 5: Grupo 5: Velocidad de onda, velocidad de nado y empuje
Descripción
¿Qué condición cinemática permite producir empuje neto?
Pregunta clave: ¿Qué condición cinemática permite producir empuje neto?
En cualquiera de estos modos de nado, la velocidad con que la onda cinemática recorre el cuerpo del pez debe ser mayor que la velocidad de nado del propio pez para que exista un empuje neto hacia adelante; la relación entre la velocidad de nado y la velocidad de esa onda cinemática define, precisamente, la eficiencia cinemática del modo de nado. En el caso límite en que la velocidad de nado se iguala a la velocidad de la onda cinemática, ya no queda empuje disponible, y el cuerpo ondulante del pez se limita a desplazarse sin generar propulsión neta, como ocurriría con una anguila que ondulara su cuerpo en un modo de puro desplazamiento sin avanzar. Además de este régimen de flujo, la clasificación cinemática de los modos de nado distingue entre los modos que usan el cuerpo y la aleta caudal, donde la ondulación se propaga desde la cabeza o desde la mitad del cuerpo hacia la cola, y los modos que usan las aletas medianas y pares, donde las aletas pectorales, dorsales o pélvicas generan el empuje mientras el resto del cuerpo permanece rígido.
ID:5026
Grupo 6: Grupo 6: Eficiencia cinemática y límite sin propulsión
Descripción
¿Cómo define la razón de velocidades la eficiencia y su límite?
Pregunta clave: ¿Cómo define la razón de velocidades la eficiencia y su límite?
En cualquiera de estos modos de nado, la velocidad con que la onda cinemática recorre el cuerpo del pez debe ser mayor que la velocidad de nado del propio pez para que exista un empuje neto hacia adelante; la relación entre la velocidad de nado y la velocidad de esa onda cinemática define, precisamente, la eficiencia cinemática del modo de nado. En el caso límite en que la velocidad de nado se iguala a la velocidad de la onda cinemática, ya no queda empuje disponible, y el cuerpo ondulante del pez se limita a desplazarse sin generar propulsión neta, como ocurriría con una anguila que ondulara su cuerpo en un modo de puro desplazamiento sin avanzar.
ID:5027
Grupo 7: Grupo 7: Compromiso eficiencia–maniobrabilidad
Descripción
¿Cómo se relacionan modo, velocidad y Reynolds con eficiencia y maniobrabilidad?
Pregunta clave: ¿Cómo se relacionan modo, velocidad y Reynolds con eficiencia y maniobrabilidad?
El comportamiento esperado a lo largo de este espectro de modos de nado es que los modos más concentrados en la aleta caudal, como el modo tuniforme, resultan más eficientes a alta velocidad, mientras que los modos que ondulan el cuerpo completo, como el anguiliforme, resultan más maniobrables a baja velocidad y en un régimen de número de Reynolds moderado, el mismo número de Reynolds que se introdujo al comienzo de este modelo como uno de los dos criterios que clasifican los modos de nado de los peces. En cualquiera de estos modos de nado, la velocidad con que la onda cinemática recorre el cuerpo del pez debe ser mayor que la velocidad de nado del propio pez para que exista un empuje neto hacia adelante; la relación entre la velocidad de nado y la velocidad de esa onda cinemática define, precisamente, la eficiencia cinemática del modo de nado. El número de Reynolds compara las fuerzas inerciales del fluido con sus fuerzas viscosas, y depende de la velocidad de nado, del tamaño del pez y de la viscosidad del agua: cuando el número de Reynolds es menor que uno, domina la viscosidad del fluido, como ocurre en las larvas de pez o en el nado por medio de una cola flagelada; cuando el número de Reynolds se encuentra entre uno y mil, el flujo está en un régimen de transición; y cuando el número de Reynolds supera las mil unidades, dominan las fuerzas inerciales y aparece la hidrodinámica convencional de generación de vórtices descrita en un modelo anterior de esta colección. En el caso límite en que la velocidad de nado se iguala a la velocidad de la onda cinemática, ya no queda empuje disponible, y el cuerpo ondulante del pez se limita a desplazarse sin generar propulsión neta, como ocurriría con una anguila que ondulara su cuerpo en un modo de puro desplazamiento sin avanzar.
ID:5028