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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E6 - Locomoción Bentónica y Arrastre sobre Sustrato
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:3052
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: Capa límite bentónica y perfil logarítmico
¿Cómo determina el fondo la velocidad del agua cerca del sustrato?
Grupo 2: Grupo 2: Esfuerzo de corte y velocidad de fricción
¿Qué fija la escala de velocidad de la capa límite?
Grupo 3: Grupo 3: Efecto suelo sobre arrastre y sustentación
¿Cómo modifica la proximidad al fondo las fuerzas hidrodinámicas?
Grupo 4: Grupo 4: Normal, flotación y fricción con el sustrato
¿Cómo se determina la resistencia tangencial al deslizamiento?
Grupo 5: Grupo 5: Reptación con aletas pectorales y potencia
¿Cómo se genera impulsión y cuál es su costo mecánico?
Grupo 6: Grupo 6: Régimen de flujo y número de Reynolds bentónico
¿Cómo se caracteriza el régimen de la capa límite?
Grupo 7: Grupo 7: Eficiencia energética y adaptación bentónica
¿Qué costo y ventaja energética produce la vida cerca del fondo?
ID:1033
Grupo 1: Grupo 1: Capa límite bentónica y perfil logarítmico
Descripción
¿Cómo determina el fondo la velocidad del agua cerca del sustrato?
Pregunta clave: ¿Cómo determina el fondo la velocidad del agua cerca del sustrato?
Estos peces se mueven dentro de la capa límite bentónica, una región de alto cizallamiento pegada al fondo donde el perfil de velocidades del agua sigue una ley logarítmica: la velocidad del agua a una altura dada sobre el fondo crece en proporción al logaritmo de esa altura, medida respecto a la rugosidad propia del sustrato, y esa proporción está fijada por la velocidad de fricción bentónica, que a su vez es la raíz cuadrada de cuánto esfuerzo de corte ejerce el fondo sobre el agua que fluye justo encima de él, dividido por la densidad de esa misma agua. El régimen de flujo dentro de esta misma capa límite bentónica se caracteriza, como en cualquier otro flujo, por un número de Reynolds propio de esa capa, que depende de la velocidad del agua junto al fondo, del espesor de la propia capa límite y de la viscosidad cinemática del fluido. El sustrato, además de imponer ese perfil de velocidades a través de la capa límite bentónica, ejerce dos tipos de fuerzas directamente sobre el cuerpo del pez que se apoya o se desliza sobre él: una fuerza normal, el empuje reactivo que el fondo ejerce hacia arriba sobre el pez, y una fuerza de fricción tangencial que aparece cuando el pez se desplaza deslizándose sobre esa superficie. El comportamiento esperado es que la eficiencia energética de la locomoción bentónica resulta sustancialmente menor que la del nado en agua libre, precisamente por las pérdidas de fricción con el sustrato descritas a lo largo de este modelo, pero que el mismo efecto suelo que puede generar succión y adherencia también puede jugar a favor del pez: en los peces planos bien adaptados a la vida bentónica, ese efecto suelo llega a reducir el arrastre efectivo hasta en un treinta por ciento respecto del que enfrentarían nadando lejos del fondo, dentro de la misma capa límite bentónica descrita al comienzo de este modelo como el entorno físico distintivo de esta forma de locomoción. La locomoción bentónica describe los modos de movimiento de los peces que viven y se desplazan sobre el fondo o cerca de él —peces planos como los lenguados y las rayas, góbidos, escorpénidos— y en ella dominan tres tipos de fuerzas que en el nado en agua libre son secundarias: la fuerza de la gravedad, el arrastre viscoso del fluido y la fricción con el propio sustrato.
ID:5043
Grupo 2: Grupo 2: Esfuerzo de corte y velocidad de fricción
Descripción
¿Qué fija la escala de velocidad de la capa límite?
Pregunta clave: ¿Qué fija la escala de velocidad de la capa límite?
Estos peces se mueven dentro de la capa límite bentónica, una región de alto cizallamiento pegada al fondo donde el perfil de velocidades del agua sigue una ley logarítmica: la velocidad del agua a una altura dada sobre el fondo crece en proporción al logaritmo de esa altura, medida respecto a la rugosidad propia del sustrato, y esa proporción está fijada por la velocidad de fricción bentónica, que a su vez es la raíz cuadrada de cuánto esfuerzo de corte ejerce el fondo sobre el agua que fluye justo encima de él, dividido por la densidad de esa misma agua. El régimen de flujo dentro de esta misma capa límite bentónica se caracteriza, como en cualquier otro flujo, por un número de Reynolds propio de esa capa, que depende de la velocidad del agua junto al fondo, del espesor de la propia capa límite y de la viscosidad cinemática del fluido. El comportamiento esperado es que la eficiencia energética de la locomoción bentónica resulta sustancialmente menor que la del nado en agua libre, precisamente por las pérdidas de fricción con el sustrato descritas a lo largo de este modelo, pero que el mismo efecto suelo que puede generar succión y adherencia también puede jugar a favor del pez: en los peces planos bien adaptados a la vida bentónica, ese efecto suelo llega a reducir el arrastre efectivo hasta en un treinta por ciento respecto del que enfrentarían nadando lejos del fondo, dentro de la misma capa límite bentónica descrita al comienzo de este modelo como el entorno físico distintivo de esta forma de locomoción. La locomoción bentónica describe los modos de movimiento de los peces que viven y se desplazan sobre el fondo o cerca de él —peces planos como los lenguados y las rayas, góbidos, escorpénidos— y en ella dominan tres tipos de fuerzas que en el nado en agua libre son secundarias: la fuerza de la gravedad, el arrastre viscoso del fluido y la fricción con el propio sustrato. La potencia que este tipo de locomoción bentónica por reptación exige del pez es proporcional a la suma del arrastre generado por el efecto suelo y la fuerza de fricción con el sustrato descritos antes, multiplicada por la velocidad con la que el pez repta sobre el fondo.
ID:5044
Grupo 3: Grupo 3: Efecto suelo sobre arrastre y sustentación
Descripción
¿Cómo modifica la proximidad al fondo las fuerzas hidrodinámicas?
Pregunta clave: ¿Cómo modifica la proximidad al fondo las fuerzas hidrodinámicas?
Tanto el arrastre como la sustentación generados por este efecto suelo dependen de la densidad del fluido, del cuadrado de la velocidad de nado y del área que el cuerpo del pez proyecta sobre el fondo, multiplicados por un coeficiente propio de cada fuerza que a su vez depende de la razón entre la altura del pez sobre el fondo y la semilongitud de su cuerpo. Cuando esa razón cae por debajo de un medio, es decir, cuando el pez nada a una altura menor que la mitad de la longitud de su propio cuerpo, la sustentación generada por el efecto suelo puede volverse negativa, porque el fluido se acelera al pasar por el espacio estrecho bajo el cuerpo del pez y genera una succión que lo adhiere al sustrato en vez de separarlo de él. El comportamiento esperado es que la eficiencia energética de la locomoción bentónica resulta sustancialmente menor que la del nado en agua libre, precisamente por las pérdidas de fricción con el sustrato descritas a lo largo de este modelo, pero que el mismo efecto suelo que puede generar succión y adherencia también puede jugar a favor del pez: en los peces planos bien adaptados a la vida bentónica, ese efecto suelo llega a reducir el arrastre efectivo hasta en un treinta por ciento respecto del que enfrentarían nadando lejos del fondo, dentro de la misma capa límite bentónica descrita al comienzo de este modelo como el entorno físico distintivo de esta forma de locomoción. Esa fuerza de fricción tangencial que el sustrato ejerce sobre el pez, cuando el pez se desliza sobre el fondo, sigue la misma ley de Coulomb que describe la fricción entre cualquier par de superficies: es proporcional a un coeficiente de fricción propio del sustrato, multiplicado por la fuerza normal neta que el pez ejerce contra el fondo, es decir, el peso del pez menos la sustentación que genera el efecto suelo descrito antes y menos el empuje de flotación que el agua ejerce sobre su cuerpo. La presión hidrodinámica se distribuye de forma distinta entre la superficie dorsal y la superficie ventral del pez cuando este nada muy cerca del fondo, un fenómeno conocido como efecto suelo, y esta diferencia de presión modifica de forma significativa tanto el arrastre como la sustentación hidrodinámica del pez respecto de lo que experimentaría nadando en espacio libre, lejos del fondo.
ID:5045
Grupo 4: Grupo 4: Normal, flotación y fricción con el sustrato
Descripción
¿Cómo se determina la resistencia tangencial al deslizamiento?
Pregunta clave: ¿Cómo se determina la resistencia tangencial al deslizamiento?
Esa fuerza de fricción tangencial que el sustrato ejerce sobre el pez, cuando el pez se desliza sobre el fondo, sigue la misma ley de Coulomb que describe la fricción entre cualquier par de superficies: es proporcional a un coeficiente de fricción propio del sustrato, multiplicado por la fuerza normal neta que el pez ejerce contra el fondo, es decir, el peso del pez menos la sustentación que genera el efecto suelo descrito antes y menos el empuje de flotación que el agua ejerce sobre su cuerpo. El sustrato, además de imponer ese perfil de velocidades a través de la capa límite bentónica, ejerce dos tipos de fuerzas directamente sobre el cuerpo del pez que se apoya o se desliza sobre él: una fuerza normal, el empuje reactivo que el fondo ejerce hacia arriba sobre el pez, y una fuerza de fricción tangencial que aparece cuando el pez se desplaza deslizándose sobre esa superficie. La locomoción bentónica describe los modos de movimiento de los peces que viven y se desplazan sobre el fondo o cerca de él —peces planos como los lenguados y las rayas, góbidos, escorpénidos— y en ella dominan tres tipos de fuerzas que en el nado en agua libre son secundarias: la fuerza de la gravedad, el arrastre viscoso del fluido y la fricción con el propio sustrato. La potencia que este tipo de locomoción bentónica por reptación exige del pez es proporcional a la suma del arrastre generado por el efecto suelo y la fuerza de fricción con el sustrato descritos antes, multiplicada por la velocidad con la que el pez repta sobre el fondo. Estos peces se mueven dentro de la capa límite bentónica, una región de alto cizallamiento pegada al fondo donde el perfil de velocidades del agua sigue una ley logarítmica: la velocidad del agua a una altura dada sobre el fondo crece en proporción al logaritmo de esa altura, medida respecto a la rugosidad propia del sustrato, y esa proporción está fijada por la velocidad de fricción bentónica, que a su vez es la raíz cuadrada de cuánto esfuerzo de corte ejerce el fondo sobre el agua que fluye justo encima de él, dividido por la densidad de esa misma agua.
ID:5046
Grupo 5: Grupo 5: Reptación con aletas pectorales y potencia
Descripción
¿Cómo se genera impulsión y cuál es su costo mecánico?
Pregunta clave: ¿Cómo se genera impulsión y cuál es su costo mecánico?
Los peces que reptan sobre el fondo usando aletas pectorales modificadas, cuyos radios musculados actúan como si fueran patas, generan fuerzas de impulsión contra ese mismo fondo en cada ciclo de apoyo de sus aletas, un mecanismo que puede modelarse como una locomoción de múltiples puntos de contacto sostenida por fricción estática contra el sustrato. La potencia que este tipo de locomoción bentónica por reptación exige del pez es proporcional a la suma del arrastre generado por el efecto suelo y la fuerza de fricción con el sustrato descritos antes, multiplicada por la velocidad con la que el pez repta sobre el fondo. La locomoción bentónica describe los modos de movimiento de los peces que viven y se desplazan sobre el fondo o cerca de él —peces planos como los lenguados y las rayas, góbidos, escorpénidos— y en ella dominan tres tipos de fuerzas que en el nado en agua libre son secundarias: la fuerza de la gravedad, el arrastre viscoso del fluido y la fricción con el propio sustrato. Estos peces se mueven dentro de la capa límite bentónica, una región de alto cizallamiento pegada al fondo donde el perfil de velocidades del agua sigue una ley logarítmica: la velocidad del agua a una altura dada sobre el fondo crece en proporción al logaritmo de esa altura, medida respecto a la rugosidad propia del sustrato, y esa proporción está fijada por la velocidad de fricción bentónica, que a su vez es la raíz cuadrada de cuánto esfuerzo de corte ejerce el fondo sobre el agua que fluye justo encima de él, dividido por la densidad de esa misma agua. El sustrato, además de imponer ese perfil de velocidades a través de la capa límite bentónica, ejerce dos tipos de fuerzas directamente sobre el cuerpo del pez que se apoya o se desliza sobre él: una fuerza normal, el empuje reactivo que el fondo ejerce hacia arriba sobre el pez, y una fuerza de fricción tangencial que aparece cuando el pez se desplaza deslizándose sobre esa superficie.
ID:5047
Grupo 6: Grupo 6: Régimen de flujo y número de Reynolds bentónico
Descripción
¿Cómo se caracteriza el régimen de la capa límite?
Pregunta clave: ¿Cómo se caracteriza el régimen de la capa límite?
El régimen de flujo dentro de esta misma capa límite bentónica se caracteriza, como en cualquier otro flujo, por un número de Reynolds propio de esa capa, que depende de la velocidad del agua junto al fondo, del espesor de la propia capa límite y de la viscosidad cinemática del fluido.
ID:5048
Grupo 7: Grupo 7: Eficiencia energética y adaptación bentónica
Descripción
¿Qué costo y ventaja energética produce la vida cerca del fondo?
Pregunta clave: ¿Qué costo y ventaja energética produce la vida cerca del fondo?
El comportamiento esperado es que la eficiencia energética de la locomoción bentónica resulta sustancialmente menor que la del nado en agua libre, precisamente por las pérdidas de fricción con el sustrato descritas a lo largo de este modelo, pero que el mismo efecto suelo que puede generar succión y adherencia también puede jugar a favor del pez: en los peces planos bien adaptados a la vida bentónica, ese efecto suelo llega a reducir el arrastre efectivo hasta en un treinta por ciento respecto del que enfrentarían nadando lejos del fondo, dentro de la misma capa límite bentónica descrita al comienzo de este modelo como el entorno físico distintivo de esta forma de locomoción. La locomoción bentónica describe los modos de movimiento de los peces que viven y se desplazan sobre el fondo o cerca de él —peces planos como los lenguados y las rayas, góbidos, escorpénidos— y en ella dominan tres tipos de fuerzas que en el nado en agua libre son secundarias: la fuerza de la gravedad, el arrastre viscoso del fluido y la fricción con el propio sustrato. La potencia que este tipo de locomoción bentónica por reptación exige del pez es proporcional a la suma del arrastre generado por el efecto suelo y la fuerza de fricción con el sustrato descritos antes, multiplicada por la velocidad con la que el pez repta sobre el fondo. Estos peces se mueven dentro de la capa límite bentónica, una región de alto cizallamiento pegada al fondo donde el perfil de velocidades del agua sigue una ley logarítmica: la velocidad del agua a una altura dada sobre el fondo crece en proporción al logaritmo de esa altura, medida respecto a la rugosidad propia del sustrato, y esa proporción está fijada por la velocidad de fricción bentónica, que a su vez es la raíz cuadrada de cuánto esfuerzo de corte ejerce el fondo sobre el agua que fluye justo encima de él, dividido por la densidad de esa misma agua. La presión hidrodinámica se distribuye de forma distinta entre la superficie dorsal y la superficie ventral del pez cuando este nada muy cerca del fondo, un fenómeno conocido como efecto suelo, y esta diferencia de presión modifica de forma significativa tanto el arrastre como la sustentación hidrodinámica del pez respecto de lo que experimentaría nadando en espacio libre, lejos del fondo.
ID:5049