E7 Redução de Fricção

Tópico

A redução do arrasto em peixes é um campo que integra tribologia de superfície, mecânica de fluidos da camada limite e biologia de tecidos de peixes. Os peixes desenvolveram diversas estratégias físicas para minimizar o arrasto que enfrentam ao nadar: uma camada de muco que modifica o comportamento do fluido dentro da camada limite, escamas com microestruturas de superfície semelhantes às de tubarões, um formato de corpo fusiforme que minimiza o aumento adverso da pressão ao longo do corpo e controle ativo da rigidez da pele que suprime a turbulência.

O arrasto total que um corpo em movimento enfrenta dentro de um fluido, incluindo o corpo do peixe, tem dois componentes distintos: o arrasto de fricção, que resulta da integração do cisalhamento viscoso em toda a superfície do corpo em contato com a água e predomina em corpos alongados como a maioria dos peixes; e o arrasto de pressão ou de forma, que resulta da diferença de pressão entre a parte frontal e traseira do corpo e predomina em corpos rombudos. O arrasto de fricção depende da densidade do fluido, do quadrado da velocidade de natação, da área da superfície molhada do corpo e de um coeficiente de fricção específico para esse corpo.

Quando a camada limite ao redor do corpo do peixe é laminar, esse coeficiente de atrito diminui com a raiz quadrada do número de Reynolds do corpo, de acordo com a correlação de Blasius: quanto maior o número de Reynolds, menor o coeficiente de atrito laminar. Se a camada limite transita para um regime turbulento, esse mesmo coeficiente de atrito normalmente aumenta de cinco a dez vezes para o mesmo número de Reynolds e, a partir daí, diminui muito mais lentamente com o número de Reynolds do que no regime laminar, de acordo com a correlação de Prandtl-Schlichting para camadas limite turbulentas. Dentro dessa mesma camada limite laminar, sua espessura aumenta ao longo do corpo do peixe em proporção à distância percorrida a partir da borda de ataque, mediada pela raiz quadrada do número de Reynolds local em cada ponto. Assim, a espessura da camada limite aumenta mais lentamente do que a distância percorrida ao longo do corpo.

O muco secretado pela epiderme do peixe é um fluido não newtoniano e viscoelástico que atua como um aditivo redutor de arrasto semelhante ao efeito Toms. Ao modificar a estrutura da turbulência junto à parede do corpo, esse muco pode reduzir o arrasto friccional em até sessenta por cento em comparação com o arrasto que o mesmo corpo encontraria em água pura, sem muco. Essa redução é quantificada comparando-se o coeficiente de atrito do peixe coberto de muco com o coeficiente de atrito que ele teria em água pura: quanto maior a diferença relativa entre os dois coeficientes, maior a redução do arrasto alcançada pelo muco.

As microestruturas das escamas ctenoides mencionadas no início deste modelo funcionam de maneira diferente do muco: elas formam canais alinhados com a direção do fluxo, semelhantes às estrias que reduzem o arrasto na pele do tubarão. Esses canais reduzem a interação entre os pequenos vórtices que se formam junto à parede do corpo e a própria parede do corpo, alcançando reduções de arrasto entre cinco e dez por cento.

O arrasto de pressão, ou o arrasto de forma do corpo fusiforme do peixe, também mencionado no início deste modelo, depende da densidade do fluido, do quadrado da velocidade de natação, da área frontal do corpo e de um coeficiente de arrasto de pressão específico para essa forma fusiforme, que é precisamente a forma que minimiza esse componente do arrasto total.

O arrasto total do peixe é a soma do arrasto de fricção e do arrasto de pressão descritos ao longo deste modelo, e o coeficiente de arrasto líquido do peixe é obtido normalizando esse arrasto total pela pressão dinâmica do fluxo e pela área frontal do corpo. O comportamento esperado é que, graças à combinação de todas as estratégias de redução de arrasto descritas no início deste modelo — muco, microestruturas das escamas, corpo fusiforme e controle ativo da rigidez da pele — o arrasto total de um peixe seja entre duas e cinco vezes menor do que o de um corpo rígido equivalente, do mesmo volume e na mesma velocidade de natação.

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