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Las aletas generalmente funcionan como láminas que brindan elevación o empuje, o brindan la capacidad de dirigir o estabilizar el movimiento en el agua o el aire.

Una aleta es un componente delgado o apéndice adherido a un cuerpo o estructura más grande. Las aletas generalmente funcionan como láminas que producen elevación o empuje , o brindan la capacidad de dirigir o estabilizar el movimiento mientras se viaja en agua, aire u otros fluidos . Las aletas también se utilizan para aumentar las superficies con fines de transferencia de calor o simplemente como ornamentación. [1] [2]

Las aletas evolucionaron por primera vez en los peces como medio de locomoción. Las aletas de pescado se utilizan para generar empuje y controlar el movimiento posterior. Los peces y otros animales acuáticos, como los cetáceos , se impulsan y conducen activamente con las aletas pectorales y caudal . Mientras nadan, utilizan otras aletas, como la dorsal y la anal , para lograr estabilidad y refinar sus maniobras. [3] [4]

Las aletas de las colas de los cetáceos , ictiosaurios , metriorrínquidos , mosasaurios y plesiosaurios se llaman duelas .

Generando empuje [ editar ]

Las aletas en forma de lámina generan empuje cuando se mueven, la elevación de la aleta pone en movimiento el agua o el aire y empuja la aleta en la dirección opuesta. Los animales acuáticos reciben un empuje significativo al mover las aletas hacia adelante y hacia atrás en el agua. A menudo se usa la aleta caudal, pero algunos animales acuáticos generan empuje a partir de las aletas pectorales . [3] Las aletas también pueden generar empuje si se hacen girar en el aire o en el agua. Las turbinas y hélices (y a veces ventiladores y bombas ) utilizan varias aletas giratorias, también llamadas láminas, alas, brazos o palas. Las hélices utilizan las aletas para traducir la fuerza de torsión en empuje lateral, propulsando así una aeronave o un barco.[5] Las turbinas funcionan a la inversa, utilizando la elevación de las palas para generar par y potencia a partir de gases o agua en movimiento. [6]

Las aletas móviles pueden proporcionar empuje
Los cetáceos son empujados moviendo las aletas de la cola horizontales hacia arriba y hacia abajo.
Las mantarrayas son empujadas por las grandes aletas pectorales.
Hélice para buque
Aletas de compresor (palas)
El daño por cavitación es evidente en esta hélice.
Dibujo del Dr. Tony Ayling
Las aletas pueden influir en la forma en que se desarrolla un vórtice alrededor de la aleta caudal.

La cavitación puede ser un problema con aplicaciones de alta potencia, lo que da como resultado daños a las hélices o turbinas, así como ruido y pérdida de potencia. [7] La cavitación ocurre cuando la presión negativa hace que se formen burbujas (cavidades) en un líquido, que luego colapsan rápida y violentamente. Puede causar daños y desgaste importantes. [7] El daño por cavitación también puede ocurrir en las aletas de la cola de poderosos animales marinos nadadores, como delfines y atunes. Es más probable que la cavitación ocurra cerca de la superficie del océano, donde la presión ambiental del agua es relativamente baja. Incluso si tienen el poder de nadar más rápido, los delfines pueden tener que restringir su velocidad porque el colapso de las burbujas de cavitación en su cola es demasiado doloroso. [8]La cavitación también ralentiza el atún, pero por una razón diferente. A diferencia de los delfines, estos peces no sienten las burbujas porque tienen aletas óseas sin terminaciones nerviosas. Sin embargo, no pueden nadar más rápido porque las burbujas de cavitación crean una película de vapor alrededor de sus aletas que limita su velocidad. Se han encontrado lesiones en el atún que son consistentes con daños por cavitación. [8]

Los peces escómbridos (atún, caballa y bonito) son nadadores de alto rendimiento. A lo largo del margen en la parte posterior de sus cuerpos hay una línea de pequeñas aletas no retráctiles, sin rayos , conocidas como aletas . Se ha especulado mucho sobre la función de estas aletas. La investigación realizada en 2000 y 2001 por Nauen y Lauder indicó que "las aletas tienen un efecto hidrodinámico sobre el flujo local durante la natación constante" y que "la aleta más posterior está orientada para redirigir el flujo hacia el vórtice de la cola en desarrollo, lo que puede aumentar el empuje producido por la cola de la caballa nadadora ". [9] [10] [11]

Los peces usan múltiples aletas, por lo que es posible que una aleta determinada pueda tener una interacción hidrodinámica con otra aleta. En particular, las aletas inmediatamente aguas arriba de la aleta caudal (cola) pueden ser aletas próximas que pueden afectar directamente la dinámica de flujo en la aleta caudal. En 2011, los investigadores que utilizaron técnicas de imágenes volumétricas pudieron generar "las primeras vistas instantáneas tridimensionales de las estructuras de estela tal como las producen los peces que nadan libremente". Descubrieron que "los latidos continuos de la cola daban como resultado la formación de una cadena enlazada de anillos de vórtice" y que "las estelas de las aletas dorsal y anal son rápidamente arrastradas por la estela de la aleta caudal, aproximadamente dentro del período de tiempo de un latido posterior de la cola". [12]

Controlar el movimiento [ editar ]

Los animales acuáticos, como esta orca , utilizan las aletas para generar empuje y controlar el movimiento posterior [13] [14]

Una vez que se ha establecido el movimiento, el movimiento en sí se puede controlar con el uso de otras aletas. [3] [15] [16] Los barcos controlan la dirección (guiñada) con timones en forma de aleta y ruedan con aletas estabilizadoras y quillas. [15] Los aviones logran resultados similares con pequeñas aletas especializadas que cambian la forma de sus alas y la cola. [dieciséis]

Se utilizan aletas especializadas para controlar el movimiento.
Los peces, barcos y aviones necesitan un control de tres grados de libertad de rotación [17] [18] [19]
La aleta dorsal de un tiburón blanco contiene fibras dérmicas que funcionan "como aparejos que estabilizan el mástil de un barco" y se endurecen dinámicamente a medida que el tiburón nada más rápido para controlar el balanceo y la guiñada. [20]
Aleta caudal de un gran tiburón blanco
Un timón corrige la guiñada
Una quilla de aleta limita el balanceo y la deriva lateral
Las aletas estabilizadoras del barco reducen el balanceo
Rollo de control de alerones
Paso de control de ascensores
El timón controla la guiñada

Aletas de estabilización se utilizan como fletching en flechas y algunos dardos , [21] y en la parte trasera de algunas bombas , misiles , cohetes , y auto-propulsadas torpedos . [22] [23] Estos son típicamente planos y con forma de alas pequeñas, aunque a veces se usan aletas de rejilla . [24] También se han utilizado aletas estáticas para un satélite, GOCE .

Las aletas traseras estáticas se utilizan como estabilizadores.
Fletching en una flecha
Las aletas estabilizadoras asimétricas imparten efecto a este cohete de artillería soviético
Convencionales aletas "planas" en un RIM-7 Sea Sparrow misil

Regulación de la temperatura [ editar ]

Las aletas de ingeniería también se utilizan como aletas de transferencia de calor para regular la temperatura en disipadores de calor o radiadores de aletas . [25] [26]

Las aletas pueden regular la temperatura.
Las motos usan aletas para enfriar el motor [27]
Calentadores de aceite por convección con aletas
El pez vela levanta su aleta dorsal para refrescarse o para arrear peces en cardúmenes [28] [29]

Ornamentación y otros usos [ editar ]

En biología, las aletas pueden tener un significado adaptativo como ornamentos sexuales. Durante el cortejo, la hembra de cíclido , Pelvicachromis taeniatus , muestra una aleta pélvica púrpura grande y visualmente llamativa . "Los investigadores encontraron que los machos claramente preferían a las hembras con una aleta pélvica más grande y que las aletas pélvicas crecían de una manera más desproporcionada que otras aletas en las hembras". [30] [31]

Ornamentación
Durante el cortejo, la hembra de cíclidos , Pelvicachromis taeniatus , muestra su aleta pélvica púrpura visualmente llamativa.
Spinosaurus pudo haber usado su aleta dorsal ( vela ) como exhibición de cortejo [32] : 28
Las aletas traseras de los automóviles en la década de 1950 eran en gran parte decorativas [33]

La remodelación de los pies humanos con aletas de natación , como la aleta caudal de un pez, agrega empuje y eficiencia a las patadas de un nadador o buceador submarino [34] [35] Las aletas de las tablas de surf proporcionan a los surfistas medios para maniobrar y controlar sus tablas. Tablas de surf contemporáneos a menudo tienen un centro de aleta y dos curvadas aletas laterales. [36]

Los cuerpos de los peces de arrecife a menudo tienen una forma diferente a la de los peces de aguas abiertas . Los peces de aguas abiertas generalmente se construyen para la velocidad, aerodinámicos como torpedos para minimizar la fricción mientras se mueven por el agua. Los peces de arrecife operan en los espacios relativamente reducidos y los complejos paisajes submarinos de los arrecifes de coral . Porque esta maniobrabilidad es más importante que la velocidad en línea recta, por lo que los peces de los arrecifes de coral han desarrollado cuerpos que optimizan su capacidad para lanzarse y cambiar de dirección. Se burlan de los depredadores esquivando las fisuras del arrecife o jugando al escondite alrededor de las cabezas de coral. [37] Las aletas pectorales y pélvicas de muchos peces de arrecife, como el pez mariposa , el pez damisela yLos peces ángel , han evolucionado para que puedan actuar como frenos y permitir maniobras complejas. [38] Muchos peces de arrecife, como el pez mariposa , el pez damisela y el pez ángel , han desarrollado cuerpos que son profundos y comprimidos lateralmente como un panqueque, y encajarán en fisuras en las rocas. Sus aletas pélvicas y pectorales están diseñadas de manera diferente, por lo que actúan junto con el cuerpo aplanado para optimizar la maniobrabilidad. [37] Algunos peces, como el pez globo , el pez lima y el pez tronco , dependen de las aletas pectorales para nadar y apenas usan las aletas de la cola. [38]

Otros usos
Las aletas de natación añaden empuje a las patadas de un nadador humano
Las quillas de las tablas de surf permiten a los surfistas maniobrar sus tablas
En algunos países asiáticos, las aletas de tiburón son un manjar culinario [39]
En los últimos años, las aletas de los automóviles se han convertido en alerones y alas altamente funcionales [40]
Muchos peces de arrecife tienen aletas pectorales y pélvicas optimizadas para cuerpos aplanados [37]
Los peces rana usan sus aletas pectorales y pélvicas para caminar a lo largo del fondo del océano [41]
Los peces voladores usan aletas pectorales agrandadas para deslizarse sobre la superficie del agua [42]

Evolución de las aletas [ editar ]

Los animales acuáticos suelen utilizar aletas para la locomoción
(1) aletas pectorales (emparejadas), (2) aletas pélvicas (emparejadas), (3) aleta dorsal, (4) aleta adiposa, (5) aleta anal, (6) caudal (cola) aleta
Aristóteles reconoció la distinción entre estructuras análogas y homólogas e hizo la siguiente comparación profética: "Las aves en cierto modo se parecen a los peces. Porque las aves tienen sus alas en la parte superior de sus cuerpos y los peces tienen dos aletas en la parte delantera de sus cuerpos. Las aves tienen patas en la parte inferior y la mayoría de los peces tienen un segundo par de aletas en la parte inferior y cerca de las delanteras ".

- Aristóteles, De incessu animalium [43]

Existe una vieja teoría, propuesta por el anatomista Karl Gegenbaur, que a menudo ha sido ignorada en los libros de texto de ciencia, "que las aletas y (más tarde) las extremidades evolucionaron a partir de las branquias de un vertebrado extinto". Las lagunas en el registro fósil no habían permitido una conclusión definitiva. En 2009, investigadores de la Universidad de Chicago encontraron evidencia de que "la arquitectura genética de branquias, aletas y extremidades es la misma", y que "el esqueleto de cualquier apéndice del cuerpo de un animal probablemente esté modelado por el programa genético del desarrollo que hemos remontado a la formación de branquias en los tiburones ". [44] [45] [46] Estudios recientes apoyan la idea de que los arcos branquiales y las aletas emparejadas son homólogas en serie y, por lo tanto, las aletas pueden haber evolucionado a partir de los tejidos branquiales. [47]

Los peces son los antepasados ​​de todos los mamíferos, reptiles, aves y anfibios. [48] En particular, los tetrápodos terrestres ( animales de cuatro patas) evolucionaron a partir de peces e hicieron sus primeras incursiones en la tierra hace 400 millones de años. Usaron aletas pectorales y pélvicas emparejadas para la locomoción. Las aletas pectorales se desarrollaron en patas delanteras (brazos en el caso de los humanos) y las aletas pélvicas se desarrollaron en patas traseras. [49] Gran parte de la maquinaria genética que construye una extremidad que camina en un tetrápodo ya está presente en la aleta de un pez. [50] [51]

Comparación entre A) la aleta que nada de un pez con aletas lobuladas y B) la pata que camina de un tetrápodo . Los huesos que se considera que se corresponden entre sí tienen el mismo color.
En una evolución paralela pero independiente, el antiguo reptil Ichthyosaurus communis desarrolló aletas (o aletas) muy similares a los peces (o delfines).

En 2011, los investigadores de la Universidad de Monash en Australia utilizaron peces pulmonados primitivos pero aún vivos "para rastrear la evolución de los músculos de la aleta pélvica para descubrir cómo evolucionaron las extremidades traseras de los tetrápodos que soportan carga". [52] [53] Investigaciones adicionales en la Universidad de Chicago encontraron que los peces pulmonados que caminan desde el fondo ya habían desarrollado características de los andares de los tetrápodos terrestres. [54] [55]

En un ejemplo clásico de evolución convergente , las extremidades pectorales de pterosaurios , pájaros y murciélagos evolucionaron aún más a lo largo de caminos independientes hasta convertirse en alas voladoras. Incluso con alas voladoras, existen muchas similitudes con las patas que caminan, y se han conservado los aspectos centrales del modelo genético de la aleta pectoral. [56] [57]

About 200 million years ago the first mammals appeared. A group of these mammals started returning to the sea about 52 million years ago, thus completing a circle. These are the cetaceans (whales, dolphins and porpoises). Recent DNA analysis suggests that cetaceans evolved from within the even-toed ungulates, and that they share a common ancestor with the hippopotamus.[58][59] About 23 million years ago another group of bearlike land mammals started returning to the sea. These were the seals.[60] What had become walking limbs in cetaceans and seals evolved further, independently in a reverse form of convergent evolution, back to new forms of swimming fins. The forelimbs became flippers and the hind limbs became a tail terminating in two fins, called a fluke in the case of cetaceans.[61] Fish tails are usually vertical and move from side to side. Cetacean flukes are horizontal and move up and down, because cetacean spines bend the same way as in other mammals.[62][63]

Ichthyosaurs are ancient reptiles that resembled dolphins. They first appeared about 245 million years ago and disappeared about 90 million years ago.

"This sea-going reptile with terrestrial ancestors converged so strongly on fishes that it actually evolved a dorsal fin and tail in just the right place and with just the right hydrological design. These structures are all the more remarkable because they evolved from nothing — the ancestral terrestrial reptile had no hump on its back or blade on its tail to serve as a precursor."[64]

The biologist Stephen Jay Gould said the ichthyosaur was his favorite example of convergent evolution.[65]

Robotic fins[edit]

In the 1990s the CIA built a robotic catfish called Charlie to test the feasibility of unmanned underwater vehicles
External video
video icon Charlie the catfish – CIA video
video icon AquaPenguin – Festo, YouTube
video icon AquaRay – Festo, YouTube
video icon AquaJelly – Festo, YouTube
video icon AiraCuda – Festo, YouTube

The use of fins for the propulsion of aquatic animals can be remarkably effective. It has been calculated that some fish can achieve a propulsive efficiency greater than 90%.[3] Fish can accelerate and maneuver much more effectively than boats or submarine, and produce less water disturbance and noise. This has led to biomimetic studies of underwater robots which attempt to emulate the locomotion of aquatic animals.[66] An example is the Robot Tuna built by the Institute of Field Robotics, to analyze and mathematically model thunniform motion.[67] In 2005, the Sea Life London Aquarium displayed three robotic fish created by the computer science department at the University of Essex. The fish were designed to be autonomous, swimming around and avoiding obstacles like real fish. Their creator claimed that he was trying to combine "the speed of tuna, acceleration of a pike, and the navigating skills of an eel."[68][69][70]

The AquaPenguin, developed by Festo of Germany, copies the streamlined shape and propulsion by front flippers of penguins.[71][72] Festo also developed AquaRay,[73] AquaJelly[74] and AiraCuda,[75] respectively emulating the locomotion of manta rays, jellyfish and barracuda.

In 2004, Hugh Herr at MIT prototyped a biomechatronic robotic fish with a living actuator by surgically transplanting muscles from frog legs to the robot and then making the robot swim by pulsing the muscle fibers with electricity.[76][77]

Robotic fish offer some research advantages, such as the ability to examine an individual part of a fish design in isolation from the rest of the fish. However, this risks oversimplifying the biology so key aspects of the animal design are overlooked. Robotic fish also allow researchers to vary a single parameter, such as flexibility or a specific motion control. Researchers can directly measure forces, which is not easy to do in live fish. "Robotic devices also facilitate three-dimensional kinematic studies and correlated hydrodynamic analyses, as the location of the locomotor surface can be known accurately. And, individual components of a natural motion (such as outstroke vs. instroke of a flapping appendage) can be programmed separately, which is certainly difficult to achieve when working with a live animal."[78]

See also[edit]

  • Aquatic locomotion
  • Fin and flipper locomotion
  • Fish locomotion
  • Robot locomotion
  • RoboTuna
  • Sail (submarine)
  • Surfboard fin

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Further reading[edit]

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External links[edit]

External video
video icon Robotic fish to monitor pollution in harbours YouTube
video icon Robotic Fish YouTube
video icon Robot Fish YouTube
video icon Robotic Shark YouTube
video icon Evolution of the Surfboard Fin – YouTube
  • Locomotion in Fish Earthlife.
  • Computational fluid dynamics tutorial Many examples and images, with references to robotic fish.
  • Fish Skin Research University of British Columbia.
  • A fin-tuned design The Economist, 19 November 2008.