E2 Controle com múltiplas aletas

Tópico

O peixe possui um sistema de controle hidrodinâmico distribuído, composto por diversas superfícies distintas — as nadadeiras peitorais, pélvicas, dorsais, anais e caudais — cada uma responsável por gerar um tipo específico de força. Ao contrário das superfícies de controle rígidas utilizadas em aeronaves, as nadadeiras do peixe são flexíveis e deformáveis, capazes de alterar ativamente sua própria geometria — sua área, ângulo de ataque e curvatura — por meio de musculatura intrínseca específica a cada nadadeira. Isso permite que o peixe controle com precisão as forças que atuam sobre seu corpo em todos os seis graus de liberdade possíveis: três translacionais e três rotacionais.

Cada uma dessas nadadeiras atua como uma superfície de sustentação, gerando uma força normal à sua superfície, a sustentação, e uma força tangencial ao longo dela, o arrasto. Ambas as forças dependem de um coeficiente de sustentação e um coeficiente de arrasto específicos para cada nadadeira, que, por sua vez, dependem do ângulo de ataque em que a nadadeira corta o fluxo e do número de Reynolds em que essa nadadeira opera.

Dentre essas nadadeiras, as peitorais são as principais responsáveis ​​por manter o equilíbrio de inclinação e guinada do peixe, além de impulsioná-lo quando nada lentamente, no que é conhecido como modo de natação larval.

A estabilidade do peixe resultante da ação combinada de todas essas nadadeiras pode ser de dois tipos: a estabilidade estática é alcançada quando o ponto de pressão resultante de todas as forças das nadadeiras coincide exatamente com o centro de gravidade do peixe, enquanto a estabilidade dinâmica, por outro lado, não surge apenas dessa geometria de força, mas exige que o peixe a mantenha ativamente por meio de feedback neural.

O torque de manobra gerado por cada nadadeira é o produto da força de sustentação que a nadadeira produz e do braço de alavanca que a separa do centro de massa do peixe.

Para manobras rápidas, no entanto, o peixe usa um mecanismo diferente do torque de manobra descrito acima: a geração de vórtices transitórios por meio do que é conhecido como efeito de massa adicionada. Ao acelerar ou desacelerar abruptamente uma barbatana, o peixe adiciona ou remove momento do fluido circundante, gerando forças impulsivas proporcionais à aceleração da superfície dessa barbatana.

O comportamento esperado desse sistema de controle hidrodinâmico distribuído é que, enquanto nada em linha reta a uma velocidade constante, a resultante de todas as forças produzidas pelas diversas barbatanas do peixe seja exatamente zero, de modo que nenhuma barbatana individual desvie o peixe de sua trajetória. Contudo, durante uma manobra, o peixe introduz uma assimetria controlada entre as forças das barbatanas opostas — por exemplo, entre a barbatana peitoral de um lado e a do outro — e essa assimetria é precisamente o que gera os torques necessários para mudar de direção.

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