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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo M6 - Locomoción Acuática: Natación, Buceo, Hidrodinámica
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:3322
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: Modos de propulsión acuática
¿Cómo genera el mamífero el movimiento propulsivo?
Grupo 2: Grupo 2: Arrastre hidrodinámico y forma corporal
¿Qué determina la resistencia hidrodinámica al avance?
Grupo 3: Grupo 3: Potencia de natación y velocidad
¿Cómo escala la demanda de potencia con la velocidad?
Grupo 4: Grupo 4: Propulsión oscilatoria y eficiencia
¿Cómo convierte la aleta caudal la potencia muscular en empuje eficiente?
Grupo 5: Grupo 5: Buceo, presión y reservas de oxígeno
¿Cómo condiciona la profundidad la respiración y el uso de oxígeno almacenado?
Grupo 6: Grupo 6: Costo de transporte y velocidad óptima
¿Qué balance energético determina la velocidad óptima de desplazamiento?
Grupo 7: Grupo 7: Selección conductual del régimen de desplazamiento
¿Cómo cambia la velocidad adoptada entre desplazamiento largo y buceo profundo?
ID:1131
Grupo 1: Grupo 1: Modos de propulsión acuática
Descripción
¿Cómo genera el mamífero el movimiento propulsivo?
Pregunta clave: ¿Cómo genera el mamífero el movimiento propulsivo?
Los mamíferos acuáticos se propulsan en el agua de dos formas distintas: mediante propulsión por extremidades, como la nutria y el castor, o mediante propulsión ondulatoria de todo el cuerpo, como los cetáceos y las focas. Esta velocidad óptima de natación, determinada por el balance entre el costo metabólico basal y un arrastre hidrodinámico que crece con el cubo de la velocidad, es la que un mamífero acuático efectivamente adopta durante un desplazamiento largo, ya se propulse por extremidades como la nutria y el castor, o por ondulación del cuerpo y aleta caudal como los cetáceos y las focas, y es la misma velocidad que ese animal debe abandonar temporalmente cuando el buceo a profundidad le exige gestionar, en cambio, la compresión pulmonar y sus reservas de oxígeno en hemoglobina y mioglobina en lugar del costo de transporte de su desplazamiento horizontal. En los mamíferos que se propulsan por ondulación del cuerpo, como los cetáceos y las focas, el empuje hacia adelante lo genera principalmente la oscilación de la aleta caudal, un movimiento que se describe con la misma teoría de alas oscilantes que explica cómo un ala en movimiento genera fuerza propulsiva en lugar de solamente sustentación. En ambos modos de propulsión, el arrastre hidrodinámico que el agua opone al avance del cuerpo escala con el cuadrado de la velocidad de nado, y ese arrastre hidrodinámico es lo que domina el costo energético de nadar, mucho más que cualquier otro factor.
ID:5947
Grupo 2: Grupo 2: Arrastre hidrodinámico y forma corporal
Descripción
¿Qué determina la resistencia hidrodinámica al avance?
Pregunta clave: ¿Qué determina la resistencia hidrodinámica al avance?
Para reducir ese arrastre hidrodinámico, los cetáceos han convergido evolutivamente hacia formas fusiformes, cuerpos alargados y afinados en ambos extremos que minimizan la resistencia del agua: gracias a esa forma fusiforme, el coeficiente de arrastre de un cetáceo cae a valores muy bajos, comparables a los que alcanza un pez, uno de los coeficientes de arrastre más bajos que existen entre los cuerpos que se desplazan por el agua. En ambos modos de propulsión, el arrastre hidrodinámico que el agua opone al avance del cuerpo escala con el cuadrado de la velocidad de nado, y ese arrastre hidrodinámico es lo que domina el costo energético de nadar, mucho más que cualquier otro factor. Volviendo al costo energético de nadar, la velocidad óptima de natación es la que minimiza el costo de transporte, la energía que el animal gasta por cada unidad de distancia recorrida, y esa velocidad óptima resulta de un balance entre dos costos que se mueven en direcciones opuestas: a velocidades bajas, es el costo metabólico basal el que domina el costo de transporte, porque el animal gasta casi la misma energía basal sin importar lo lento que nade; a velocidades altas, en cambio, es el arrastre hidrodinámico —que crece con el cubo de la velocidad— el que domina. Además de escalar con el cuadrado de la velocidad, el arrastre hidrodinámico hace que la potencia de natación necesaria para vencerlo crezca con el cubo de la velocidad de nado: cuanto más rápido nada el animal, más rápido crece la potencia que ese mismo aumento de velocidad le exige, y esa relación tan pronunciada es la que hace que la velocidad óptima de natación termine siendo mucho menor que la velocidad máxima que el animal podría alcanzar en un esfuerzo breve. El costo de transporte alcanza su mínimo exactamente en el punto donde el arrastre hidrodinámico equivale a un tercio del costo total de nadar.
ID:5948
Grupo 3: Grupo 3: Potencia de natación y velocidad
Descripción
¿Cómo escala la demanda de potencia con la velocidad?
Pregunta clave: ¿Cómo escala la demanda de potencia con la velocidad?
Además de escalar con el cuadrado de la velocidad, el arrastre hidrodinámico hace que la potencia de natación necesaria para vencerlo crezca con el cubo de la velocidad de nado: cuanto más rápido nada el animal, más rápido crece la potencia que ese mismo aumento de velocidad le exige, y esa relación tan pronunciada es la que hace que la velocidad óptima de natación termine siendo mucho menor que la velocidad máxima que el animal podría alcanzar en un esfuerzo breve. Volviendo al costo energético de nadar, la velocidad óptima de natación es la que minimiza el costo de transporte, la energía que el animal gasta por cada unidad de distancia recorrida, y esa velocidad óptima resulta de un balance entre dos costos que se mueven en direcciones opuestas: a velocidades bajas, es el costo metabólico basal el que domina el costo de transporte, porque el animal gasta casi la misma energía basal sin importar lo lento que nade; a velocidades altas, en cambio, es el arrastre hidrodinámico —que crece con el cubo de la velocidad— el que domina. Esta velocidad óptima de natación, determinada por el balance entre el costo metabólico basal y un arrastre hidrodinámico que crece con el cubo de la velocidad, es la que un mamífero acuático efectivamente adopta durante un desplazamiento largo, ya se propulse por extremidades como la nutria y el castor, o por ondulación del cuerpo y aleta caudal como los cetáceos y las focas, y es la misma velocidad que ese animal debe abandonar temporalmente cuando el buceo a profundidad le exige gestionar, en cambio, la compresión pulmonar y sus reservas de oxígeno en hemoglobina y mioglobina en lugar del costo de transporte de su desplazamiento horizontal. En ambos modos de propulsión, el arrastre hidrodinámico que el agua opone al avance del cuerpo escala con el cuadrado de la velocidad de nado, y ese arrastre hidrodinámico es lo que domina el costo energético de nadar, mucho más que cualquier otro factor. La eficiencia con la que esa oscilación de la aleta caudal convierte potencia muscular en empuje está gobernada por el número de Strouhal, el mismo parámetro adimensional que compara la frecuencia y la amplitud de cada ciclo de oscilación con la velocidad de avance del animal: cuando ese número de Strouhal cae dentro del rango entre 0,2 y 0,4, la eficiencia de Froude de la propulsión alcanza sus valores más altos, entre un 0,85 y un 0,95, muy cerca del máximo teórico posible.
ID:5949
Grupo 4: Grupo 4: Propulsión oscilatoria y eficiencia
Descripción
¿Cómo convierte la aleta caudal la potencia muscular en empuje eficiente?
Pregunta clave: ¿Cómo convierte la aleta caudal la potencia muscular en empuje eficiente?
La eficiencia con la que esa oscilación de la aleta caudal convierte potencia muscular en empuje está gobernada por el número de Strouhal, el mismo parámetro adimensional que compara la frecuencia y la amplitud de cada ciclo de oscilación con la velocidad de avance del animal: cuando ese número de Strouhal cae dentro del rango entre 0,2 y 0,4, la eficiencia de Froude de la propulsión alcanza sus valores más altos, entre un 0,85 y un 0,95, muy cerca del máximo teórico posible. En los mamíferos que se propulsan por ondulación del cuerpo, como los cetáceos y las focas, el empuje hacia adelante lo genera principalmente la oscilación de la aleta caudal, un movimiento que se describe con la misma teoría de alas oscilantes que explica cómo un ala en movimiento genera fuerza propulsiva en lugar de solamente sustentación. Esta velocidad óptima de natación, determinada por el balance entre el costo metabólico basal y un arrastre hidrodinámico que crece con el cubo de la velocidad, es la que un mamífero acuático efectivamente adopta durante un desplazamiento largo, ya se propulse por extremidades como la nutria y el castor, o por ondulación del cuerpo y aleta caudal como los cetáceos y las focas, y es la misma velocidad que ese animal debe abandonar temporalmente cuando el buceo a profundidad le exige gestionar, en cambio, la compresión pulmonar y sus reservas de oxígeno en hemoglobina y mioglobina en lugar del costo de transporte de su desplazamiento horizontal.
ID:5950
Grupo 5: Grupo 5: Buceo, presión y reservas de oxígeno
Descripción
¿Cómo condiciona la profundidad la respiración y el uso de oxígeno almacenado?
Pregunta clave: ¿Cómo condiciona la profundidad la respiración y el uso de oxígeno almacenado?
Para sostener el esfuerzo del buceo pese a esa compresión pulmonar, el animal gestiona el oxígeno que ya tenía almacenado antes de sumergirse en la hemoglobina de su sangre y en la mioglobina de su músculo, en lugar de depender de la respiración mientras dura la inmersión. El buceo a profundidad le exige a estos mismos mamíferos acuáticos un desafío fisiológico adicional, distinto del arrastre hidrodinámico: a medida que el animal desciende, la presión creciente del agua comprime sus pulmones según la ley de Boyle, la misma ley que describe cómo el volumen de un gas se reduce cuando aumenta la presión que lo rodea. Esta velocidad óptima de natación, determinada por el balance entre el costo metabólico basal y un arrastre hidrodinámico que crece con el cubo de la velocidad, es la que un mamífero acuático efectivamente adopta durante un desplazamiento largo, ya se propulse por extremidades como la nutria y el castor, o por ondulación del cuerpo y aleta caudal como los cetáceos y las focas, y es la misma velocidad que ese animal debe abandonar temporalmente cuando el buceo a profundidad le exige gestionar, en cambio, la compresión pulmonar y sus reservas de oxígeno en hemoglobina y mioglobina en lugar del costo de transporte de su desplazamiento horizontal.
ID:5951
Grupo 6: Grupo 6: Costo de transporte y velocidad óptima
Descripción
¿Qué balance energético determina la velocidad óptima de desplazamiento?
Pregunta clave: ¿Qué balance energético determina la velocidad óptima de desplazamiento?
Volviendo al costo energético de nadar, la velocidad óptima de natación es la que minimiza el costo de transporte, la energía que el animal gasta por cada unidad de distancia recorrida, y esa velocidad óptima resulta de un balance entre dos costos que se mueven en direcciones opuestas: a velocidades bajas, es el costo metabólico basal el que domina el costo de transporte, porque el animal gasta casi la misma energía basal sin importar lo lento que nade; a velocidades altas, en cambio, es el arrastre hidrodinámico —que crece con el cubo de la velocidad— el que domina. Esta velocidad óptima de natación, determinada por el balance entre el costo metabólico basal y un arrastre hidrodinámico que crece con el cubo de la velocidad, es la que un mamífero acuático efectivamente adopta durante un desplazamiento largo, ya se propulse por extremidades como la nutria y el castor, o por ondulación del cuerpo y aleta caudal como los cetáceos y las focas, y es la misma velocidad que ese animal debe abandonar temporalmente cuando el buceo a profundidad le exige gestionar, en cambio, la compresión pulmonar y sus reservas de oxígeno en hemoglobina y mioglobina en lugar del costo de transporte de su desplazamiento horizontal. El costo de transporte alcanza su mínimo exactamente en el punto donde el arrastre hidrodinámico equivale a un tercio del costo total de nadar. En ambos modos de propulsión, el arrastre hidrodinámico que el agua opone al avance del cuerpo escala con el cuadrado de la velocidad de nado, y ese arrastre hidrodinámico es lo que domina el costo energético de nadar, mucho más que cualquier otro factor.
ID:5952
Grupo 7: Grupo 7: Selección conductual del régimen de desplazamiento
Descripción
¿Cómo cambia la velocidad adoptada entre desplazamiento largo y buceo profundo?
Pregunta clave: ¿Cómo cambia la velocidad adoptada entre desplazamiento largo y buceo profundo?
Esta velocidad óptima de natación, determinada por el balance entre el costo metabólico basal y un arrastre hidrodinámico que crece con el cubo de la velocidad, es la que un mamífero acuático efectivamente adopta durante un desplazamiento largo, ya se propulse por extremidades como la nutria y el castor, o por ondulación del cuerpo y aleta caudal como los cetáceos y las focas, y es la misma velocidad que ese animal debe abandonar temporalmente cuando el buceo a profundidad le exige gestionar, en cambio, la compresión pulmonar y sus reservas de oxígeno en hemoglobina y mioglobina en lugar del costo de transporte de su desplazamiento horizontal. El buceo a profundidad le exige a estos mismos mamíferos acuáticos un desafío fisiológico adicional, distinto del arrastre hidrodinámico: a medida que el animal desciende, la presión creciente del agua comprime sus pulmones según la ley de Boyle, la misma ley que describe cómo el volumen de un gas se reduce cuando aumenta la presión que lo rodea. Para sostener el esfuerzo del buceo pese a esa compresión pulmonar, el animal gestiona el oxígeno que ya tenía almacenado antes de sumergirse en la hemoglobina de su sangre y en la mioglobina de su músculo, en lugar de depender de la respiración mientras dura la inmersión.
ID:5953