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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E7 - Reducción de Roce
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:3073
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: Componentes del arrastre total
¿Cómo se descompone el arrastre total del pez?
Grupo 2: Grupo 2: Fricción laminar y número de Reynolds
¿Cómo depende el coeficiente de fricción laminar del Reynolds?
Grupo 3: Grupo 3: Transición turbulenta y fricción turbulenta
¿Cómo cambia la fricción cuando la capa límite se vuelve turbulenta?
Grupo 4: Grupo 4: Crecimiento de la capa límite laminar
¿Cómo crece el espesor de la capa límite a lo largo del cuerpo?
Grupo 5: Grupo 5: Reducción de fricción por moco y escamas
¿Cómo reducen moco y microestructuras el arrastre de fricción?
Grupo 6: Grupo 6: Arrastre de presión y forma fusiforme
¿Cómo reduce la forma fusiforme el arrastre de presión?
Grupo 7: Grupo 7: Integración de estrategias y arrastre neto
¿Cómo se combinan las estrategias para reducir el arrastre neto?
ID:1040
Grupo 1: Grupo 1: Componentes del arrastre total
Descripción
¿Cómo se descompone el arrastre total del pez?
Pregunta clave: ¿Cómo se descompone el arrastre total del pez?
El arrastre de fricción depende de la densidad del fluido, del cuadrado de la velocidad de nado, del área de la superficie mojada del cuerpo y de un coeficiente de fricción propio de ese cuerpo. El arrastre de presión o de forma del cuerpo fusiforme del pez, mencionado también al comienzo de este modelo, depende de la densidad del fluido, del cuadrado de la velocidad de nado, del área frontal del cuerpo y de un coeficiente de arrastre de presión propio de esa forma fusiforme, que es precisamente la forma que minimiza este componente del arrastre total. El arrastre total que un cuerpo en movimiento enfrenta dentro de un fluido, incluido el cuerpo del pez, tiene dos componentes distintos: el arrastre de fricción, que resulta de integrar el cizallamiento viscoso sobre toda la superficie del cuerpo que está en contacto con el agua, y que domina en cuerpos de forma esbelta como la de la mayoría de los peces; y el arrastre de presión o de forma, que resulta de la diferencia de presión entre la parte delantera y la parte trasera del cuerpo, y que domina en cuerpos de forma más roma. El arrastre total del pez es la suma del arrastre de fricción y del arrastre de presión descritos a lo largo de este modelo, y el coeficiente de arrastre neto del pez se obtiene normalizando ese arrastre total por la presión dinámica del flujo y por el área frontal del cuerpo. El comportamiento esperado es que, gracias a la combinación de todas las estrategias de reducción de arrastre descritas al comienzo de este modelo —el moco, las microestructuras de las escamas, el cuerpo fusiforme y el control activo de la rigidez de la piel— el arrastre total de un pez resulta entre dos y cinco veces menor que el de un cuerpo rígido equivalente, del mismo volumen y a la misma velocidad de nado.
ID:5050
Grupo 2: Grupo 2: Fricción laminar y número de Reynolds
Descripción
¿Cómo depende el coeficiente de fricción laminar del Reynolds?
Pregunta clave: ¿Cómo depende el coeficiente de fricción laminar del Reynolds?
Ese coeficiente de fricción, cuando la capa límite alrededor del cuerpo del pez es laminar, decrece con la raíz cuadrada del número de Reynolds del cuerpo, según la correlación de Blasius: cuanto más alto es ese número de Reynolds, menor es el coeficiente de fricción laminar. Si la capa límite hace la transición a un régimen turbulento, ese mismo coeficiente de fricción aumenta típicamente entre cinco y diez veces para el mismo número de Reynolds, y a partir de ahí decrece de forma mucho más lenta con el número de Reynolds que en el régimen laminar, según la correlación de Prandtl y Schlichting para capas límite turbulentas. Dentro de esa misma capa límite laminar, su espesor crece a lo largo del cuerpo del pez en proporción a la distancia recorrida desde el borde delantero, mediada por la raíz cuadrada del número de Reynolds local en cada punto, de modo que el espesor de la capa límite crece más lento que la propia distancia recorrida sobre el cuerpo. El arrastre de fricción depende de la densidad del fluido, del cuadrado de la velocidad de nado, del área de la superficie mojada del cuerpo y de un coeficiente de fricción propio de ese cuerpo.
ID:5051
Grupo 3: Grupo 3: Transición turbulenta y fricción turbulenta
Descripción
¿Cómo cambia la fricción cuando la capa límite se vuelve turbulenta?
Pregunta clave: ¿Cómo cambia la fricción cuando la capa límite se vuelve turbulenta?
Si la capa límite hace la transición a un régimen turbulento, ese mismo coeficiente de fricción aumenta típicamente entre cinco y diez veces para el mismo número de Reynolds, y a partir de ahí decrece de forma mucho más lenta con el número de Reynolds que en el régimen laminar, según la correlación de Prandtl y Schlichting para capas límite turbulentas. Ese coeficiente de fricción, cuando la capa límite alrededor del cuerpo del pez es laminar, decrece con la raíz cuadrada del número de Reynolds del cuerpo, según la correlación de Blasius: cuanto más alto es ese número de Reynolds, menor es el coeficiente de fricción laminar. Los peces han desarrollado varias estrategias físicas para minimizar el arrastre que enfrentan al nadar: un recubrimiento de moco que modifica el comportamiento del fluido dentro de la capa límite, escamas con microestructuras superficiales parecidas a las de los tiburones, un cuerpo de forma fusiforme que minimiza el aumento adverso de presión a lo largo del cuerpo, y un control activo de la rigidez de la piel que suprime la aparición de turbulencia.
ID:5052
Grupo 4: Grupo 4: Crecimiento de la capa límite laminar
Descripción
¿Cómo crece el espesor de la capa límite a lo largo del cuerpo?
Pregunta clave: ¿Cómo crece el espesor de la capa límite a lo largo del cuerpo?
Dentro de esa misma capa límite laminar, su espesor crece a lo largo del cuerpo del pez en proporción a la distancia recorrida desde el borde delantero, mediada por la raíz cuadrada del número de Reynolds local en cada punto, de modo que el espesor de la capa límite crece más lento que la propia distancia recorrida sobre el cuerpo. Ese coeficiente de fricción, cuando la capa límite alrededor del cuerpo del pez es laminar, decrece con la raíz cuadrada del número de Reynolds del cuerpo, según la correlación de Blasius: cuanto más alto es ese número de Reynolds, menor es el coeficiente de fricción laminar. Si la capa límite hace la transición a un régimen turbulento, ese mismo coeficiente de fricción aumenta típicamente entre cinco y diez veces para el mismo número de Reynolds, y a partir de ahí decrece de forma mucho más lenta con el número de Reynolds que en el régimen laminar, según la correlación de Prandtl y Schlichting para capas límite turbulentas. Los peces han desarrollado varias estrategias físicas para minimizar el arrastre que enfrentan al nadar: un recubrimiento de moco que modifica el comportamiento del fluido dentro de la capa límite, escamas con microestructuras superficiales parecidas a las de los tiburones, un cuerpo de forma fusiforme que minimiza el aumento adverso de presión a lo largo del cuerpo, y un control activo de la rigidez de la piel que suprime la aparición de turbulencia.
ID:5053
Grupo 5: Grupo 5: Reducción de fricción por moco y escamas
Descripción
¿Cómo reducen moco y microestructuras el arrastre de fricción?
Pregunta clave: ¿Cómo reducen moco y microestructuras el arrastre de fricción?
Las microestructuras de las escamas ctenioides mencionadas al comienzo de este modelo funcionan de un modo distinto al del moco: forman canales alineados con la dirección del flujo, semejantes a las estrías que reducen el arrastre en la piel de los tiburones, y esos canales reducen la interacción entre los pequeños vórtices que se forman justo junto a la pared del cuerpo y esa misma pared, logrando reducciones de arrastre de entre un cinco y un diez por ciento. El moco que secreta la epidermis del pez es un fluido no newtoniano y viscoelástico que actúa como un aditivo reductor de arrastre del mismo tipo que el efecto Toms: al modificar la estructura de la turbulencia justo junto a la pared del cuerpo, ese moco puede reducir el arrastre de fricción hasta en un sesenta por ciento respecto del arrastre que enfrentaría el mismo cuerpo en agua pura, sin moco. Esa reducción se cuantifica comparando el coeficiente de fricción del pez cubierto de moco con el coeficiente de fricción que tendría en agua pura: cuanto mayor es esa diferencia relativa entre ambos coeficientes, mayor es la reducción de arrastre que el moco logra. El comportamiento esperado es que, gracias a la combinación de todas las estrategias de reducción de arrastre descritas al comienzo de este modelo —el moco, las microestructuras de las escamas, el cuerpo fusiforme y el control activo de la rigidez de la piel— el arrastre total de un pez resulta entre dos y cinco veces menor que el de un cuerpo rígido equivalente, del mismo volumen y a la misma velocidad de nado. Los peces han desarrollado varias estrategias físicas para minimizar el arrastre que enfrentan al nadar: un recubrimiento de moco que modifica el comportamiento del fluido dentro de la capa límite, escamas con microestructuras superficiales parecidas a las de los tiburones, un cuerpo de forma fusiforme que minimiza el aumento adverso de presión a lo largo del cuerpo, y un control activo de la rigidez de la piel que suprime la aparición de turbulencia.
ID:5054
Grupo 6: Grupo 6: Arrastre de presión y forma fusiforme
Descripción
¿Cómo reduce la forma fusiforme el arrastre de presión?
Pregunta clave: ¿Cómo reduce la forma fusiforme el arrastre de presión?
El arrastre de presión o de forma del cuerpo fusiforme del pez, mencionado también al comienzo de este modelo, depende de la densidad del fluido, del cuadrado de la velocidad de nado, del área frontal del cuerpo y de un coeficiente de arrastre de presión propio de esa forma fusiforme, que es precisamente la forma que minimiza este componente del arrastre total. Los peces han desarrollado varias estrategias físicas para minimizar el arrastre que enfrentan al nadar: un recubrimiento de moco que modifica el comportamiento del fluido dentro de la capa límite, escamas con microestructuras superficiales parecidas a las de los tiburones, un cuerpo de forma fusiforme que minimiza el aumento adverso de presión a lo largo del cuerpo, y un control activo de la rigidez de la piel que suprime la aparición de turbulencia. El arrastre total del pez es la suma del arrastre de fricción y del arrastre de presión descritos a lo largo de este modelo, y el coeficiente de arrastre neto del pez se obtiene normalizando ese arrastre total por la presión dinámica del flujo y por el área frontal del cuerpo. El arrastre total que un cuerpo en movimiento enfrenta dentro de un fluido, incluido el cuerpo del pez, tiene dos componentes distintos: el arrastre de fricción, que resulta de integrar el cizallamiento viscoso sobre toda la superficie del cuerpo que está en contacto con el agua, y que domina en cuerpos de forma esbelta como la de la mayoría de los peces; y el arrastre de presión o de forma, que resulta de la diferencia de presión entre la parte delantera y la parte trasera del cuerpo, y que domina en cuerpos de forma más roma. El arrastre de fricción depende de la densidad del fluido, del cuadrado de la velocidad de nado, del área de la superficie mojada del cuerpo y de un coeficiente de fricción propio de ese cuerpo.
ID:5055
Grupo 7: Grupo 7: Integración de estrategias y arrastre neto
Descripción
¿Cómo se combinan las estrategias para reducir el arrastre neto?
Pregunta clave: ¿Cómo se combinan las estrategias para reducir el arrastre neto?
El comportamiento esperado es que, gracias a la combinación de todas las estrategias de reducción de arrastre descritas al comienzo de este modelo —el moco, las microestructuras de las escamas, el cuerpo fusiforme y el control activo de la rigidez de la piel— el arrastre total de un pez resulta entre dos y cinco veces menor que el de un cuerpo rígido equivalente, del mismo volumen y a la misma velocidad de nado. Los peces han desarrollado varias estrategias físicas para minimizar el arrastre que enfrentan al nadar: un recubrimiento de moco que modifica el comportamiento del fluido dentro de la capa límite, escamas con microestructuras superficiales parecidas a las de los tiburones, un cuerpo de forma fusiforme que minimiza el aumento adverso de presión a lo largo del cuerpo, y un control activo de la rigidez de la piel que suprime la aparición de turbulencia. El arrastre total del pez es la suma del arrastre de fricción y del arrastre de presión descritos a lo largo de este modelo, y el coeficiente de arrastre neto del pez se obtiene normalizando ese arrastre total por la presión dinámica del flujo y por el área frontal del cuerpo. El arrastre de presión o de forma del cuerpo fusiforme del pez, mencionado también al comienzo de este modelo, depende de la densidad del fluido, del cuadrado de la velocidad de nado, del área frontal del cuerpo y de un coeficiente de arrastre de presión propio de esa forma fusiforme, que es precisamente la forma que minimiza este componente del arrastre total. El arrastre total que un cuerpo en movimiento enfrenta dentro de un fluido, incluido el cuerpo del pez, tiene dos componentes distintos: el arrastre de fricción, que resulta de integrar el cizallamiento viscoso sobre toda la superficie del cuerpo que está en contacto con el agua, y que domina en cuerpos de forma esbelta como la de la mayoría de los peces; y el arrastre de presión o de forma, que resulta de la diferencia de presión entre la parte delantera y la parte trasera del cuerpo, y que domina en cuerpos de forma más roma.
ID:5056