M6 Locomoção Aquática

Tópico

Os mamíferos aquáticos se impulsionam na água de duas maneiras distintas: por propulsão dos membros, como lontras e castores, ou por propulsão ondulatória de todo o corpo, como cetáceos e focas.

Em ambos os modos de propulsão, o arrasto hidrodinâmico que a água oferece ao movimento do corpo é proporcional ao quadrado da velocidade de natação, e esse arrasto hidrodinâmico é o fator que mais influencia o gasto energético da natação, muito mais do que qualquer outro fator.

Para reduzir esse arrasto hidrodinâmico, os cetáceos desenvolveram formas fusiformes, corpos alongados e afilados nas extremidades que minimizam a resistência da água. Graças a essa forma fusiforme, o coeficiente de arrasto de um cetáceo cai para valores muito baixos, comparáveis ​​aos de um peixe — um dos menores coeficientes de arrasto entre os corpos que se movem na água.

Além de aumentar com o quadrado da velocidade, o arrasto hidrodinâmico faz com que a potência necessária para superá-lo aumente com o cubo da velocidade de natação: quanto mais rápido o animal nada, mais rápido aumenta a potência necessária para esse mesmo aumento de velocidade, e essa relação acentuada é o que torna a velocidade ideal de natação muito menor do que a velocidade máxima que o animal poderia atingir em um curto esforço.

Em mamíferos que se impulsionam por ondulação corporal, como cetáceos e focas, o impulso para a frente é gerado principalmente pela oscilação da nadadeira caudal, um movimento descrito pela mesma teoria das asas batentes que explica como uma asa em movimento gera força propulsiva em vez de apenas sustentação.

A eficiência com que essa oscilação da nadadeira caudal converte a força muscular em impulso é regida pelo número de Strouhal, o mesmo parâmetro adimensional que compara a frequência e a amplitude de cada ciclo de oscilação com a velocidade de avanço do animal. Quando o número de Strouhal se situa na faixa de 0,2 a 0,4, a eficiência de propulsão de Froude atinge seus valores mais altos, entre 0,85 e 0,95, muito próximos do máximo teórico. O mergulho profundo apresenta a esses mesmos mamíferos aquáticos um desafio fisiológico adicional, distinto do arrasto hidrodinâmico: à medida que o animal desce, o aumento da pressão da água comprime seus pulmões de acordo com a lei de Boyle, a mesma lei que descreve como o volume de um gás diminui quando a pressão circundante aumenta. Para sustentar o esforço do mergulho apesar dessa compressão pulmonar, o animal gerencia o oxigênio que já havia armazenado antes de submergir na hemoglobina do sangue e na mioglobina dos músculos, em vez de depender da respiração durante o mergulho.

Retornando ao custo energético da natação, a velocidade ideal de natação é aquela que minimiza o custo de transporte, a energia que o animal gasta por unidade de distância percorrida. Essa velocidade ideal resulta do equilíbrio entre dois custos que se movem em direções opostas: em baixas velocidades, o custo metabólico basal domina o custo de transporte, porque o animal gasta quase a mesma energia basal, independentemente da velocidade com que nada; em altas velocidades, no entanto, o arrasto hidrodinâmico — que aumenta com o cubo da velocidade — domina. O custo de transporte atinge seu mínimo precisamente no ponto em que o arrasto hidrodinâmico equivale a um terço do custo total da natação.

Essa velocidade ideal de natação, determinada pelo equilíbrio entre o custo metabólico basal e um arrasto hidrodinâmico que cresce com o cubo da velocidade, é aquela que um mamífero aquático de fato adota durante um longo deslocamento, seja se impulsionando por membros, como a lontra e o castor, ou pela ondulação do corpo e da nadadeira caudal, como os cetáceos e as focas, e é a mesma velocidade que esse animal deve abandonar temporariamente quando o mergulho profundo exige que ele gerencie, em vez do custo de transporte do seu deslocamento horizontal, a compressão pulmonar e suas reservas de oxigênio na hemoglobina e na mioglobina.

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