Los animales voladores y nadadores navegan a un número de Strouhal sintonizado para una alta eficiencia energética

Área de la Ciencia:

• La biomecánica es la biomecánica.
• La dinámica de fluidos es la dinámica de fluidos.
• La locomoción de los animales.

Sus antecedentes:

• Los números adimensionales, como el número de Strouhal (St), son cruciales en la biomecánica para comprender la similitud dinámica a través de diferentes escalas y medios.
• El número de Strouhal (St = fA/U) relaciona la frecuencia del golpe (f), la amplitud (A) y la velocidad hacia adelante (U), y se sabe que influye en la dinámica de vórtices en sistemas oscilantes.
• Investigaciones anteriores indican que la alta eficiencia propulsiva en animales acuáticos como los peces se logra dentro de un rango estrecho de St (0.2 < St < 0.4).

Objetivo del estudio:

• Investigar si el rango de números de Strouhal asociado con la máxima eficiencia propulsiva se conserva en diversos grupos de animales, incluidos los vertebrados e invertebrados terrestres y aéreos.
• Determinar si la selección natural favorece los números óptimos de Strouhal para una locomoción eficiente en la natación, el vuelo y potencialmente otros modos de movimiento de los animales.
• Establecer si la optimización del número de Strouhal es un principio general para la propulsión oscilatoria basada en elevación en la naturaleza.

Principales métodos:

• Análisis de los datos existentes y la literatura sobre la cinemática (frecuencia, amplitud) y las velocidades de varios animales que nadan, vuelan y potencialmente se arrastran.
• Cálculo del número de Strouhal para diferentes especies a través de varios modos de locomoción.
• Comparación de los números de Strouhal calculados con el rango conocido para la eficiencia propulsiva óptima.

Principales resultados:

• Los animales nadadores como los delfines, los tiburones y los peces óseos exhiben constantemente números de Strouhal dentro del rango óptimo de 0,2 a 0,4.
• Las aves, murciélagos e insectos también convergen en este estrecho rango numérico de Strouhal (0.2-0.4) durante su vuelo de crucero.
• Las desviaciones de este rango pueden ocurrir durante los comportamientos no de crucero, pero los números óptimos de Strouhal se mantienen para un vuelo hacia adelante eficiente.

Conclusiones:

• Los hallazgos sugieren fuertemente que la selección natural ha limitado el número de Strouhal utilizado por los animales para una locomoción eficiente, especialmente durante el crucero.
• La convergencia de diversos grupos de animales en el rango de números de Strouhal 0.2-0.4 pone de relieve un principio fundamental de la eficiente propulsión basado en elevación oscilatoria.
• El ajuste de la cinemática para lograr números óptimos de Strouhal parece ser una estrategia evolutiva generalizada para minimizar el gasto de energía durante el movimiento de los animales.