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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo M5 - Locomoción en Medios Granulares (Excavación, Arena, Tierra)
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:3319
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: Resistencia granular por fricción y presión inercial
¿Qué componentes físicas generan la resistencia al avance dentro del medio granular?
Grupo 2: Grupo 2: Transición sólido–fluido del medio granular
¿Cómo cambia el comportamiento mecánico del sustrato con la rapidez de perturbación?
Grupo 3: Grupo 3: Adaptación morfológica y costo energético de excavación
¿Cómo reducen las adaptaciones excavadoras un costo energético que sigue siendo extremo?
Grupo 4: Grupo 4: Ventilación del túnel y tolerancia hipóxica/hipercápnica
¿Cómo limita el radio del túnel la renovación del aire y qué condiciones fisiológicas deben tolerarse?
Grupo 5: Grupo 5: Número adimensional y régimen granular
¿Cómo se caracteriza cuantitativamente la cercanía del medio a los regímenes cuasi-estático e inercial?
Grupo 6: Grupo 6: Potencia metabólica, resistencia y velocidad de avance
¿Cómo determinan la potencia disponible y la resistencia granular la velocidad de excavación?
Grupo 7: Grupo 7: Costo por volumen y dependencia con la velocidad
¿Por qué el costo energético por volumen excavado es independiente de la velocidad en régimen cuasi-estático?
ID:1130
Grupo 1: Grupo 1: Resistencia granular por fricción y presión inercial
Descripción
¿Qué componentes físicas generan la resistencia al avance dentro del medio granular?
Pregunta clave: ¿Qué componentes físicas generan la resistencia al avance dentro del medio granular?
La locomoción en sustratos granulares, como la arena o la tierra, combina dos tipos de resistencia física: la fricción interna del propio medio granular, que escala con la profundidad alcanzada y con el área de contacto, y una presión de origen inercial, que escala con la densidad del medio multiplicada por el cuadrado de la velocidad con la que el animal se mueve dentro de él. La velocidad con la que el animal avanza al excavar resulta del cociente entre la potencia metabólica que tiene disponible y la fuerza de resistencia que el medio granular le opone en ese régimen: cuanto más compactado está el sustrato, o cuanto más profundo excava el animal, mayor es esa fuerza de resistencia y menor la velocidad de avance que la misma potencia metabólica logra sostener. Qué tan cerca está el medio granular, en cada instante, de comportarse como sólido o como fluido se puede caracterizar con un número adimensional que compara la rapidez con la que se deforma el medio frente a la presión interna que lo mantiene compacto: cuando ese número es mucho menor que uno, el medio se comporta de forma cuasi-estática, como un sólido; cuando ese número se acerca a uno, el medio entra en un régimen inercial, comportándose de forma mucho más parecida a un fluido. Esta transición entre comportamiento sólido y comportamiento fluido, según la rapidez de la perturbación, es lo que determina cuánta resistencia encuentra el animal al moverse dentro del medio granular. Frente a la resistencia de este medio granular, los mamíferos excavadores han desarrollado morfologías especializadas —patas en forma de pala, cuerpos cilíndricos— y estrategias de movimiento que buscan minimizar el costo energético de excavar.
ID:5940
Grupo 2: Grupo 2: Transición sólido–fluido del medio granular
Descripción
¿Cómo cambia el comportamiento mecánico del sustrato con la rapidez de perturbación?
Pregunta clave: ¿Cómo cambia el comportamiento mecánico del sustrato con la rapidez de perturbación?
Esta transición entre comportamiento sólido y comportamiento fluido, según la rapidez de la perturbación, es lo que determina cuánta resistencia encuentra el animal al moverse dentro del medio granular. Ese mismo medio granular se comporta de manera muy distinta según qué tan rápido se lo perturbe: bajo una carga sostenida y lenta se comporta como un sólido, resistiendo la deformación, pero bajo un impacto rápido se comporta en cambio como un fluido, cediendo y fluyendo alrededor del objeto que lo perturba. Qué tan cerca está el medio granular, en cada instante, de comportarse como sólido o como fluido se puede caracterizar con un número adimensional que compara la rapidez con la que se deforma el medio frente a la presión interna que lo mantiene compacto: cuando ese número es mucho menor que uno, el medio se comporta de forma cuasi-estática, como un sólido; cuando ese número se acerca a uno, el medio entra en un régimen inercial, comportándose de forma mucho más parecida a un fluido. La velocidad con la que el animal avanza al excavar resulta del cociente entre la potencia metabólica que tiene disponible y la fuerza de resistencia que el medio granular le opone en ese régimen: cuanto más compactado está el sustrato, o cuanto más profundo excava el animal, mayor es esa fuerza de resistencia y menor la velocidad de avance que la misma potencia metabólica logra sostener. En el régimen cuasi-estático descrito antes, el costo energético por cada unidad de volumen excavado resulta independiente de la velocidad de avance: excavar despacio o excavar rápido cuesta, por cada metro de túnel completado, exactamente la misma energía total, aunque excavar rápido exija, evidentemente, una mayor potencia metabólica sostenida durante un tiempo más corto.
ID:5941
Grupo 3: Grupo 3: Adaptación morfológica y costo energético de excavación
Descripción
¿Cómo reducen las adaptaciones excavadoras un costo energético que sigue siendo extremo?
Pregunta clave: ¿Cómo reducen las adaptaciones excavadoras un costo energético que sigue siendo extremo?
Frente a la resistencia de este medio granular, los mamíferos excavadores han desarrollado morfologías especializadas —patas en forma de pala, cuerpos cilíndricos— y estrategias de movimiento que buscan minimizar el costo energético de excavar. Aun con esas adaptaciones, ese costo energético de excavar sigue siendo enorme: entre quinientas y dos mil veces mayor que el costo de desplazarse la misma distancia sobre la superficie. En el régimen cuasi-estático descrito antes, el costo energético por cada unidad de volumen excavado resulta independiente de la velocidad de avance: excavar despacio o excavar rápido cuesta, por cada metro de túnel completado, exactamente la misma energía total, aunque excavar rápido exija, evidentemente, una mayor potencia metabólica sostenida durante un tiempo más corto. Esta independencia entre costo y velocidad es, en última instancia, una consecuencia directa de la combinación de fricción interna y presión inercial con la que se abrió esta descripción de la locomoción en medios granulares.
ID:5942
Grupo 4: Grupo 4: Ventilación del túnel y tolerancia hipóxica/hipercápnica
Descripción
¿Cómo limita el radio del túnel la renovación del aire y qué condiciones fisiológicas deben tolerarse?
Pregunta clave: ¿Cómo limita el radio del túnel la renovación del aire y qué condiciones fisiológicas deben tolerarse?
El flujo de aire que puede circular por un conducto estrecho cae con la cuarta potencia de su radio, de modo que reducir apenas a la mitad el radio de un túnel reduce el flujo de aire disponible dieciséis veces, lo que vuelve a los túneles estrechos prácticamente impermeables al aire. Algunas especies de topo desnudo han desarrollado adaptaciones que les permiten tolerar, dentro de sus túneles, concentraciones de dióxido de carbono de hasta un diez por ciento del aire respirado y concentraciones de oxígeno por debajo de un ocho por ciento. Excavar no solo cuesta energía: también crea una limitación fisiológica crítica dentro del propio túnel, la de renovar el aire. En el régimen cuasi-estático descrito antes, el costo energético por cada unidad de volumen excavado resulta independiente de la velocidad de avance: excavar despacio o excavar rápido cuesta, por cada metro de túnel completado, exactamente la misma energía total, aunque excavar rápido exija, evidentemente, una mayor potencia metabólica sostenida durante un tiempo más corto.
ID:5943
Grupo 5: Grupo 5: Número adimensional y régimen granular
Descripción
¿Cómo se caracteriza cuantitativamente la cercanía del medio a los regímenes cuasi-estático e inercial?
Pregunta clave: ¿Cómo se caracteriza cuantitativamente la cercanía del medio a los regímenes cuasi-estático e inercial?
Qué tan cerca está el medio granular, en cada instante, de comportarse como sólido o como fluido se puede caracterizar con un número adimensional que compara la rapidez con la que se deforma el medio frente a la presión interna que lo mantiene compacto: cuando ese número es mucho menor que uno, el medio se comporta de forma cuasi-estática, como un sólido; cuando ese número se acerca a uno, el medio entra en un régimen inercial, comportándose de forma mucho más parecida a un fluido. En el régimen cuasi-estático descrito antes, el costo energético por cada unidad de volumen excavado resulta independiente de la velocidad de avance: excavar despacio o excavar rápido cuesta, por cada metro de túnel completado, exactamente la misma energía total, aunque excavar rápido exija, evidentemente, una mayor potencia metabólica sostenida durante un tiempo más corto. La locomoción en sustratos granulares, como la arena o la tierra, combina dos tipos de resistencia física: la fricción interna del propio medio granular, que escala con la profundidad alcanzada y con el área de contacto, y una presión de origen inercial, que escala con la densidad del medio multiplicada por el cuadrado de la velocidad con la que el animal se mueve dentro de él. La velocidad con la que el animal avanza al excavar resulta del cociente entre la potencia metabólica que tiene disponible y la fuerza de resistencia que el medio granular le opone en ese régimen: cuanto más compactado está el sustrato, o cuanto más profundo excava el animal, mayor es esa fuerza de resistencia y menor la velocidad de avance que la misma potencia metabólica logra sostener. Ese mismo medio granular se comporta de manera muy distinta según qué tan rápido se lo perturbe: bajo una carga sostenida y lenta se comporta como un sólido, resistiendo la deformación, pero bajo un impacto rápido se comporta en cambio como un fluido, cediendo y fluyendo alrededor del objeto que lo perturba.
ID:5944
Grupo 6: Grupo 6: Potencia metabólica, resistencia y velocidad de avance
Descripción
¿Cómo determinan la potencia disponible y la resistencia granular la velocidad de excavación?
Pregunta clave: ¿Cómo determinan la potencia disponible y la resistencia granular la velocidad de excavación?
La velocidad con la que el animal avanza al excavar resulta del cociente entre la potencia metabólica que tiene disponible y la fuerza de resistencia que el medio granular le opone en ese régimen: cuanto más compactado está el sustrato, o cuanto más profundo excava el animal, mayor es esa fuerza de resistencia y menor la velocidad de avance que la misma potencia metabólica logra sostener. En el régimen cuasi-estático descrito antes, el costo energético por cada unidad de volumen excavado resulta independiente de la velocidad de avance: excavar despacio o excavar rápido cuesta, por cada metro de túnel completado, exactamente la misma energía total, aunque excavar rápido exija, evidentemente, una mayor potencia metabólica sostenida durante un tiempo más corto. El flujo de aire que puede circular por un conducto estrecho cae con la cuarta potencia de su radio, de modo que reducir apenas a la mitad el radio de un túnel reduce el flujo de aire disponible dieciséis veces, lo que vuelve a los túneles estrechos prácticamente impermeables al aire. La locomoción en sustratos granulares, como la arena o la tierra, combina dos tipos de resistencia física: la fricción interna del propio medio granular, que escala con la profundidad alcanzada y con el área de contacto, y una presión de origen inercial, que escala con la densidad del medio multiplicada por el cuadrado de la velocidad con la que el animal se mueve dentro de él.
ID:5945
Grupo 7: Grupo 7: Costo por volumen y dependencia con la velocidad
Descripción
¿Por qué el costo energético por volumen excavado es independiente de la velocidad en régimen cuasi-estático?
Pregunta clave: ¿Por qué el costo energético por volumen excavado es independiente de la velocidad en régimen cuasi-estático?
En el régimen cuasi-estático descrito antes, el costo energético por cada unidad de volumen excavado resulta independiente de la velocidad de avance: excavar despacio o excavar rápido cuesta, por cada metro de túnel completado, exactamente la misma energía total, aunque excavar rápido exija, evidentemente, una mayor potencia metabólica sostenida durante un tiempo más corto. La velocidad con la que el animal avanza al excavar resulta del cociente entre la potencia metabólica que tiene disponible y la fuerza de resistencia que el medio granular le opone en ese régimen: cuanto más compactado está el sustrato, o cuanto más profundo excava el animal, mayor es esa fuerza de resistencia y menor la velocidad de avance que la misma potencia metabólica logra sostener. Esta independencia entre costo y velocidad es, en última instancia, una consecuencia directa de la combinación de fricción interna y presión inercial con la que se abrió esta descripción de la locomoción en medios granulares. Aun con esas adaptaciones, ese costo energético de excavar sigue siendo enorme: entre quinientas y dos mil veces mayor que el costo de desplazarse la misma distancia sobre la superficie. La locomoción en sustratos granulares, como la arena o la tierra, combina dos tipos de resistencia física: la fricción interna del propio medio granular, que escala con la profundidad alcanzada y con el área de contacto, y una presión de origen inercial, que escala con la densidad del medio multiplicada por el cuadrado de la velocidad con la que el animal se mueve dentro de él.
ID:5946