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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 dan como resultado la formación de una cadena enlazada de anillos de vórtice" y que "las estelas de las aletas dorsal y anal son arrastradas rápidamente por la estela de la aleta caudal, aproximadamente dentro del marco 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 para caminar, y se han conservado los aspectos centrales del modelo genético de la aleta pectoral. [56] [57]

Hace unos 200 millones de años aparecieron los primeros mamíferos. Un grupo de estos mamíferos comenzó a regresar al mar hace unos 52 millones de años, completando así un círculo. Estos son los cetáceos (ballenas, delfines y marsopas). Un análisis de ADN reciente sugiere que los cetáceos evolucionaron desde dentro de los ungulados pares y que comparten un ancestro común con el hipopótamo . [58] [59] Hace unos 23 millones de años, otro grupo de mamíferos terrestres parecidos a osos comenzó a regresar al mar. Estos fueron los sellos . [60]Lo que se había convertido en miembros andantes en cetáceos y focas evolucionó aún más, independientemente en una forma inversa de evolución convergente, de regreso a nuevas formas de aletas nadadores. Las extremidades anteriores se convirtieron en aletas y las patas traseras se convirtieron en una cola que termina en dos aletas, llamado un golpe de suerte en el caso de los cetáceos. [61] Las colas de pescado suelen ser verticales y se mueven de un lado a otro. Los trematodos de los cetáceos son horizontales y se mueven hacia arriba y hacia abajo, porque las espinas de los cetáceos se doblan de la misma manera que en otros mamíferos. [62] [63]

Los ictiosaurios son reptiles antiguos que se parecían a los delfines. Aparecieron por primera vez hace unos 245 millones de años y desaparecieron hace unos 90 millones de años.

"Este reptil marino con antepasados ​​terrestres convergió tan fuertemente en los peces que en realidad desarrolló una aleta dorsal y una cola en el lugar correcto y con el diseño hidrológico correcto. Estas estructuras son aún más notables porque evolucionaron de la nada: el El reptil terrestre ancestral no tenía joroba en la espalda ni hoja en la cola para servir como precursor ". [64]

El biólogo Stephen Jay Gould dijo que el ictiosaurio era su ejemplo favorito de evolución convergente . [sesenta y cinco]

Aletas robóticas [ editar ]

En la década de 1990, la CIA construyó un bagre robótico llamado Charlie para probar la viabilidad de los vehículos submarinos no tripulados.
Video externo
icono de video Charlie el bagre - video de la CIA
icono de video AquaPenguin - Festo, YouTube
icono de video AquaRay - Festo, YouTube
icono de video AquaJelly - Festo, YouTube
icono de video AiraCuda - Festo, YouTube

El uso de aletas para la propulsión de animales acuáticos puede resultar muy eficaz. Se ha calculado que algunos peces pueden alcanzar una eficiencia de propulsión superior al 90%. [3] Los peces pueden acelerar y maniobrar mucho más eficazmente que los barcos o los submarinos , y producen menos ruido y perturbaciones en el agua. Esto ha llevado a estudios biomiméticos de robots submarinos que intentan emular la locomoción de los animales acuáticos. [66] Un ejemplo es el Robot Tuna construido por el Instituto de Robótica de Campo , para analizar y modelar matemáticamente el movimiento thuniform . [67] En 2005, elEl acuario Sea Life London mostró tres peces robóticos creados por el departamento de informática de la Universidad de Essex . Los peces fueron diseñados para ser autónomos, nadar y evitar obstáculos como peces reales. Su creador afirmó que estaba tratando de combinar "la velocidad del atún, la aceleración de un lucio y las habilidades de navegación de una anguila". [68] [69] [70]

El AquaPenguin , desarrollado por Festo de Alemania, copia la forma aerodinámica y la propulsión de las aletas delanteras de los pingüinos . [71] [72] Festo también desarrolló AquaRay , [73] AquaJelly [74] y AiraCuda , [75] emulando respectivamente la locomoción de mantarrayas, medusas y barracudas.

En 2004, Hugh Herr del MIT creó un prototipo de un pez robótico biomecatrónico con un actuador vivo trasplantando quirúrgicamente los músculos de las ancas de rana al robot y luego haciendo que el robot nade pulsando las fibras musculares con electricidad. [76] [77]

Los peces robóticos ofrecen algunas ventajas de investigación, como la capacidad de examinar una parte individual del diseño de un pez de forma aislada del resto de los peces. Sin embargo, esto corre el riesgo de simplificar demasiado la biología, por lo que se pasan por alto aspectos clave del diseño animal. Los peces robóticos también permiten a los investigadores variar un solo parámetro, como la flexibilidad o un control de movimiento específico. Los investigadores pueden medir directamente las fuerzas, lo que no es fácil de hacer en peces vivos. "Los dispositivos robóticos también facilitan los estudios cinemáticos tridimensionales y los análisis hidrodinámicos correlacionados, ya que la ubicación de la superficie locomotora se puede conocer con precisión. Además, se pueden programar los componentes individuales de un movimiento natural (como la brazada o la entrada de un apéndice aleteante). por separado, lo que ciertamente es difícil de lograr cuando se trabaja con un animal vivo ".

Ver también [ editar ]

  • Locomoción acuática
  • Locomoción de aletas y aletas
  • Locomoción de peces
  • Locomoción robot
  • RoboTuna
  • Vela (submarino)
  • Aleta de tabla de surf

Referencias [ editar ]

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Lectura adicional [ editar ]

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  • Weihs, Daniel (2002). "Estabilidad versus maniobrabilidad en locomoción acuática" . Biología Integrada y Computacional . 42 (1): 127-134. doi : 10.1093 / icb / 42.1.127 . PMID  21708701 .

Enlaces externos [ editar ]

Video externo
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icono de video Pez robot YouTube
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  • Locomoción en peces terrestres .
  • Tutorial de dinámica de fluidos computacional Muchos ejemplos e imágenes, con referencias a peces robóticos.
  • Universidad de Investigación sobre Piel de Pez de la Columbia Británica.
  • Un diseño afinado The Economist , 19 de noviembre de 2008.