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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E8 - Hidrodinámica de Cardúmenes (Vorticidad Colectiva)
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:3067
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: Estela vortical del pez líder
¿Cómo genera el pez líder una fuente hidrodinámica aprovechable?
Grupo 2: Grupo 2: Posicionamiento espacial en la estela
¿Qué geometría relativa permite aprovechar la estela?
Grupo 3: Grupo 3: Sincronización y Kármán-gaiting
¿Cómo convierte el seguidor la periodicidad de la estela en un modo de nado extractivo?
Grupo 4: Grupo 4: Extracción de energía y velocidad inducida
¿Cómo la interacción vortical aporta energía y velocidad efectiva al seguidor?
Grupo 5: Grupo 5: Costo de transporte individual
¿Cómo se traduce la asistencia hidrodinámica en ahorro energético medible?
Grupo 6: Grupo 6: Vorticidad colectiva del cardumen
¿Cómo escalan las interacciones individuales a estructuras coherentes del grupo?
Grupo 7: Grupo 7: Campo de presiones y posición ventajosa
¿Qué consecuencia grupal produce la vorticidad colectiva y dónde se maximiza el beneficio individual?
ID:1038
Grupo 1: Grupo 1: Estela vortical del pez líder
Descripción
¿Cómo genera el pez líder una fuente hidrodinámica aprovechable?
Pregunta clave: ¿Cómo genera el pez líder una fuente hidrodinámica aprovechable?
Este efecto hidromecánico de extraer energía de la estela del pez líder exige que se cumplan dos condiciones a la vez: que la distancia entre ambos peces se mantenga dentro de un rango óptimo, de entre tres y cinco décimas de la longitud del propio cuerpo, y que la frecuencia de batido del pez que sigue esté sincronizada, en fase, con los vórtices de la estela que deja el pez líder. La reducción del costo de transporte que logra el pez seguidor gracias a esta formación de cardumen puede modelarse con la teoría del potencial aplicada a la interacción entre torbellinos: la velocidad que los vórtices de la estela del pez líder inducen sobre el pez seguidor aumenta la velocidad efectiva de avance de este último sin que le cueste energía adicional, reduciendo su costo de transporte entre un diez y un cuarenta por ciento respecto de lo que le costaría nadar solo. El comportamiento esperado dentro de esta hidrodinámica de cardúmenes es que la posición más ventajosa para un pez dentro del cardumen no es la que está directamente detrás del pez líder, sino una posición desplazada lateralmente y ligeramente atrasada respecto a él, ubicada en el flanco de los vórtices de su estela, donde la velocidad inducida sobre el pez seguidor alcanza su valor máximo. Cuando un pez nada dentro de la estela de vórtices contrarrotantes que deja otro pez, y si se posiciona correctamente dentro de esa estela, puede adoptar un modo de nado llamado Kármán-gaiting: sincroniza el movimiento de su propia aleta caudal con la frecuencia de los vórtices de la estela, extrayendo energía de ellos del mismo modo en que un surfista extrae energía de una ola en vez de tener que generar su propio impulso. Este fenómeno es el equivalente acuático del rebufo que aprovechan los ciclistas cuando ruedan en pelotón: un pez que nada dentro de la estela de otro puede aprovechar los vórtices que ese otro pez deja atrás para extraer energía del fluido, en vez de gastar su propia energía depositándola en el fluido como ocurre en el nado normal.
ID:5057
Grupo 2: Grupo 2: Posicionamiento espacial en la estela
Descripción
¿Qué geometría relativa permite aprovechar la estela?
Pregunta clave: ¿Qué geometría relativa permite aprovechar la estela?
El comportamiento esperado dentro de esta hidrodinámica de cardúmenes es que la posición más ventajosa para un pez dentro del cardumen no es la que está directamente detrás del pez líder, sino una posición desplazada lateralmente y ligeramente atrasada respecto a él, ubicada en el flanco de los vórtices de su estela, donde la velocidad inducida sobre el pez seguidor alcanza su valor máximo. La reducción del costo de transporte que logra el pez seguidor gracias a esta formación de cardumen puede modelarse con la teoría del potencial aplicada a la interacción entre torbellinos: la velocidad que los vórtices de la estela del pez líder inducen sobre el pez seguidor aumenta la velocidad efectiva de avance de este último sin que le cueste energía adicional, reduciendo su costo de transporte entre un diez y un cuarenta por ciento respecto de lo que le costaría nadar solo. Este efecto hidromecánico de extraer energía de la estela del pez líder exige que se cumplan dos condiciones a la vez: que la distancia entre ambos peces se mantenga dentro de un rango óptimo, de entre tres y cinco décimas de la longitud del propio cuerpo, y que la frecuencia de batido del pez que sigue esté sincronizada, en fase, con los vórtices de la estela que deja el pez líder. Cuando este mismo efecto se repite entre todos los peces del cardumen, la vorticidad colectiva que resulta ya no se limita a la escala de un solo pez, sino que forma estructuras coherentes de una escala mayor que la longitud de cualquier pez individual, y esas estructuras afectan el campo de presiones de todo el grupo, no solo el de los pares líder-seguidor considerados de a uno.
ID:5058
Grupo 3: Grupo 3: Sincronización y Kármán-gaiting
Descripción
¿Cómo convierte el seguidor la periodicidad de la estela en un modo de nado extractivo?
Pregunta clave: ¿Cómo convierte el seguidor la periodicidad de la estela en un modo de nado extractivo?
Cuando un pez nada dentro de la estela de vórtices contrarrotantes que deja otro pez, y si se posiciona correctamente dentro de esa estela, puede adoptar un modo de nado llamado Kármán-gaiting: sincroniza el movimiento de su propia aleta caudal con la frecuencia de los vórtices de la estela, extrayendo energía de ellos del mismo modo en que un surfista extrae energía de una ola en vez de tener que generar su propio impulso. Este efecto hidromecánico de extraer energía de la estela del pez líder exige que se cumplan dos condiciones a la vez: que la distancia entre ambos peces se mantenga dentro de un rango óptimo, de entre tres y cinco décimas de la longitud del propio cuerpo, y que la frecuencia de batido del pez que sigue esté sincronizada, en fase, con los vórtices de la estela que deja el pez líder.
ID:5059
Grupo 4: Grupo 4: Extracción de energía y velocidad inducida
Descripción
¿Cómo la interacción vortical aporta energía y velocidad efectiva al seguidor?
Pregunta clave: ¿Cómo la interacción vortical aporta energía y velocidad efectiva al seguidor?
La reducción del costo de transporte que logra el pez seguidor gracias a esta formación de cardumen puede modelarse con la teoría del potencial aplicada a la interacción entre torbellinos: la velocidad que los vórtices de la estela del pez líder inducen sobre el pez seguidor aumenta la velocidad efectiva de avance de este último sin que le cueste energía adicional, reduciendo su costo de transporte entre un diez y un cuarenta por ciento respecto de lo que le costaría nadar solo. Este fenómeno es el equivalente acuático del rebufo que aprovechan los ciclistas cuando ruedan en pelotón: un pez que nada dentro de la estela de otro puede aprovechar los vórtices que ese otro pez deja atrás para extraer energía del fluido, en vez de gastar su propia energía depositándola en el fluido como ocurre en el nado normal. El comportamiento esperado dentro de esta hidrodinámica de cardúmenes es que la posición más ventajosa para un pez dentro del cardumen no es la que está directamente detrás del pez líder, sino una posición desplazada lateralmente y ligeramente atrasada respecto a él, ubicada en el flanco de los vórtices de su estela, donde la velocidad inducida sobre el pez seguidor alcanza su valor máximo. Cuando un pez nada dentro de la estela de vórtices contrarrotantes que deja otro pez, y si se posiciona correctamente dentro de esa estela, puede adoptar un modo de nado llamado Kármán-gaiting: sincroniza el movimiento de su propia aleta caudal con la frecuencia de los vórtices de la estela, extrayendo energía de ellos del mismo modo en que un surfista extrae energía de una ola en vez de tener que generar su propio impulso.
ID:5060
Grupo 5: Grupo 5: Costo de transporte individual
Descripción
¿Cómo se traduce la asistencia hidrodinámica en ahorro energético medible?
Pregunta clave: ¿Cómo se traduce la asistencia hidrodinámica en ahorro energético medible?
La reducción del costo de transporte que logra el pez seguidor gracias a esta formación de cardumen puede modelarse con la teoría del potencial aplicada a la interacción entre torbellinos: la velocidad que los vórtices de la estela del pez líder inducen sobre el pez seguidor aumenta la velocidad efectiva de avance de este último sin que le cueste energía adicional, reduciendo su costo de transporte entre un diez y un cuarenta por ciento respecto de lo que le costaría nadar solo. La hidrodinámica de cardúmenes describe cómo la interacción entre los campos de flujo que genera cada pez, cuando varios peces nadan en proximidad unos de otros, puede reducir el costo energético individual de cada uno y crear estructuras de vorticidad colectiva que benefician a los peces que nadan aguas abajo del resto.
ID:5061
Grupo 6: Grupo 6: Vorticidad colectiva del cardumen
Descripción
¿Cómo escalan las interacciones individuales a estructuras coherentes del grupo?
Pregunta clave: ¿Cómo escalan las interacciones individuales a estructuras coherentes del grupo?
Cuando este mismo efecto se repite entre todos los peces del cardumen, la vorticidad colectiva que resulta ya no se limita a la escala de un solo pez, sino que forma estructuras coherentes de una escala mayor que la longitud de cualquier pez individual, y esas estructuras afectan el campo de presiones de todo el grupo, no solo el de los pares líder-seguidor considerados de a uno. La hidrodinámica de cardúmenes describe cómo la interacción entre los campos de flujo que genera cada pez, cuando varios peces nadan en proximidad unos de otros, puede reducir el costo energético individual de cada uno y crear estructuras de vorticidad colectiva que benefician a los peces que nadan aguas abajo del resto.
ID:5062
Grupo 7: Grupo 7: Campo de presiones y posición ventajosa
Descripción
¿Qué consecuencia grupal produce la vorticidad colectiva y dónde se maximiza el beneficio individual?
Pregunta clave: ¿Qué consecuencia grupal produce la vorticidad colectiva y dónde se maximiza el beneficio individual?
El comportamiento esperado dentro de esta hidrodinámica de cardúmenes es que la posición más ventajosa para un pez dentro del cardumen no es la que está directamente detrás del pez líder, sino una posición desplazada lateralmente y ligeramente atrasada respecto a él, ubicada en el flanco de los vórtices de su estela, donde la velocidad inducida sobre el pez seguidor alcanza su valor máximo. Cuando este mismo efecto se repite entre todos los peces del cardumen, la vorticidad colectiva que resulta ya no se limita a la escala de un solo pez, sino que forma estructuras coherentes de una escala mayor que la longitud de cualquier pez individual, y esas estructuras afectan el campo de presiones de todo el grupo, no solo el de los pares líder-seguidor considerados de a uno.
ID:5063