E6 Locomoção Bentônica e Rastejamento no Substrato

Tópico

A locomoção bentônica descreve os padrões de movimento de peixes que vivem e se deslocam sobre ou perto do fundo do mar — peixes planos como linguados e raias, gobídeos e peixes-escorpião — e é dominada por três tipos de forças que são secundárias na natação em águas abertas: gravidade, arrasto viscoso e atrito com o próprio substrato. Esses peixes se movem dentro da camada limite bentônica, uma região de alta tensão de cisalhamento próxima ao fundo do mar, onde o perfil de velocidade da água segue uma lei logarítmica: a velocidade da água a uma determinada altura acima do fundo do mar aumenta proporcionalmente ao logaritmo dessa altura, medida em relação à rugosidade do substrato. Essa proporção é determinada pela velocidade de atrito bentônico, que é a raiz quadrada da tensão de cisalhamento exercida pelo fundo do mar sobre a água que flui diretamente acima dele, dividida pela densidade dessa água.

O substrato, além de impor esse perfil de velocidade ao longo da camada limite bentônica, exerce dois tipos de forças diretamente sobre o corpo do peixe que repousa ou desliza sobre ele: uma força normal, a força de empuxo reativa que o fundo exerce para cima sobre o peixe, e uma força de atrito tangencial que surge quando o peixe se move deslizando sobre essa superfície. A pressão hidrodinâmica é distribuída de forma diferente entre as superfícies dorsal e ventral do peixe quando ele nada muito próximo ao fundo, um fenômeno conhecido como efeito de solo. Essa diferença de pressão modifica significativamente tanto o arrasto quanto a sustentação hidrodinâmica do peixe em comparação com o que ele experimentaria nadando em espaço aberto, longe do fundo. Tanto o arrasto quanto a sustentação gerados por esse efeito de solo dependem da densidade do fluido, do quadrado da velocidade de natação e da área que o corpo do peixe projeta sobre o fundo, multiplicados por um coeficiente específico para cada força, que por sua vez depende da razão entre a altura do peixe acima do fundo e metade do comprimento do seu corpo. Quando essa proporção cai abaixo de um certo ponto — isto é, quando o peixe nada a uma altura inferior à metade do seu próprio comprimento corporal — a sustentação gerada pelo efeito de solo pode se tornar negativa. Isso ocorre porque o fluido acelera ao passar pelo estreito espaço abaixo do corpo do peixe, criando uma sucção que o puxa em direção ao substrato em vez de afastá-lo dele. A força de atrito tangencial exercida pelo substrato sobre o peixe enquanto ele desliza pelo fundo segue a mesma lei de Coulomb que descreve o atrito entre quaisquer duas superfícies: ela é proporcional ao coeficiente de atrito do substrato multiplicado pela força normal resultante que o peixe exerce contra o fundo. Essa força normal resultante é o peso do peixe menos a sustentação gerada pelo efeito de solo descrito anteriormente e menos a força de empuxo exercida pela água sobre o seu corpo.

Essa força de atrito tangencial é proporcional ao coeficiente de atrito do substrato multiplicado pela força normal resultante que o peixe exerce contra o fundo. Peixes que rastejam pelo fundo usando nadadeiras peitorais modificadas, cujos raios musculares atuam como pernas, geram forças propulsivas contra o fundo com cada almofada de suas nadadeiras. Esse mecanismo pode ser modelado como locomoção multiponto sustentada pelo atrito estático contra o substrato. A potência necessária para esse tipo de locomoção rastejante bentônica é proporcional à soma do arrasto gerado pelo efeito de solo e da força de atrito com o substrato descrita anteriormente, multiplicada pela velocidade com que o peixe rasteja pelo fundo.

O regime de fluxo dentro dessa camada limite bentônica é caracterizado, como em qualquer outro fluxo, por um número de Reynolds específico para essa camada, que depende da velocidade da água perto do fundo, da espessura da própria camada limite e da viscosidade cinemática do fluido.

O comportamento esperado é que a eficiência energética da locomoção bentônica seja substancialmente menor do que a da natação em águas livres, precisamente devido às perdas por atrito com o substrato descritas ao longo deste modelo, mas que o mesmo efeito de fundo que pode gerar sucção e adesão também pode funcionar a favor do peixe: em peixes planos bem adaptados à vida bentônica, esse efeito de fundo pode reduzir o arrasto efetivo em até trinta por cento em comparação com o que enfrentariam nadando longe do fundo, dentro da mesma camada limite bentônica descrita no início deste modelo como o ambiente físico característico dessa forma de locomoção.

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