Finalmente sappiamo come i pesci nuotano così velocemente

Quando si tratta di nuotare, i pesci dimostrano una grazia e un potere senza sforzo che gli umani possono solo sognare. Mentre i pesci più veloci nuotano fino a 70 miglia all'ora, nessun essere umano è mai riuscito a raggiungere nemmeno 4 mph in acqua. Anche i sottomarini più veloci hanno una velocità massima di soli 50 mph.

Il modo esatto in cui i pesci gestiscono questa impresa è qualcosa di misterioso. Fisici, biologi e ingegneri si sono a lungo interrogati sul caratteristico movimento ondulatorio e sulle forze idrodinamiche che genera. In effetti, hanno due teorie sulla propulsione idrodinamica per spiegarlo, sebbene risalgano agli anni '50 e '60. Ma nessuno ha capito cosa sia corretto.

Oggi le cose cambiano grazie al lavoro di Tingyu Ming presso il Beijing Computational Science Research Center in Cina e vari colleghi. Questi ragazzi hanno modellato la propulsione dei pesci su un supercomputer e calibrato i risultati utilizzando misurazioni dettagliate del movimento di un pesce reale. Il loro modello spiega per la prima volta come i pesci generano spinta e anche perché alcune strutture anatomiche, come i tendini, sono così importanti.

Prima un po' di background. Nel caratteristico movimento ondulatorio del pesce, i muscoli si contraggono in sequenza lungo il corpo per generare un'onda all'indietro di flessione del corpo. Questo spinge contro l'acqua e produce spinta.

Ma esattamente come nasce questa spinta è una sorta di enigma. Nel 1952, il fisico britannico Geoffrey Taylor considerò l'interazione di ogni segmento del corpo di un pesce con l'acqua. La sua idea era che ogni segmento genera resistenza, una resistenza al movimento. Quando il segmento ondeggia, la resistenza è maggiore in direzione perpendicolare al corpo che parallela ad esso. Il risultato è spinto nella direzione parallela, o in avanti. Questa idea è nota come teoria della forza resistiva.

Ma nel 1960 un matematico britannico, James Lighthill, avanzò un'idea diversa in cui l'effetto dominante è l'inerzia dell'acqua. Ciò consente a una piastra piatta di generare spinta ondeggiando con una piccola ampiezza. Questo è noto come teoria del corpo allungato.

La differenza fondamentale tra queste teorie è il tipo di forza generata. Per Taylor, è una forza resistiva, che agisce nella direzione opposta al movimento di un corpo ma è in fase con quella velocità. Per Lighthill, è una forza reattiva, che agisce nella direzione opposta a una forza d'azione ed è in fase con l'accelerazione.

Può sembrare una sottile differenza, ma è la chiave per comprendere la propulsione dei pesci e riprodurla artificialmente. Ecco perché sapere quale teoria usare è importante.

Per scoprirlo, Tingyu e colleghi hanno creato un modello di fluidodinamica computazionale 3D di due tipi di pesci: nuotatori anguilliformi come le anguille e nuotatori carangiformi come lo sgombro. La differenza principale è che gli anguilliformi ondulano l'intero corpo, mentre solo la metà posteriore dei corpi carangiformi si piega in modo significativo.

Il team ha utilizzato studi reali sul movimento dei pesci per calibrare i propri modelli e quindi ha calcolato la forza, la coppia e la potenza generate da ogni tipo di forma del corpo.

I risultati costituiscono una lettura interessante. Si scopre che entrambe le teorie sono corrette ma per diverse forme del corpo e anche per diverse parti di questi corpi.

Ad esempio, sia per i nuotatori di tipo sgombro che per quelli di tipo anguilla, le forze resistive sono più importanti nella parte centrale del corpo, che è relativamente liscia e uniforme. Ma le forze reattive svolgono un ruolo molto più importante vicino alla coda dei nuotatori di tipo sgombro.

Anche l'elasticità gioca un ruolo importante. Nessuno è stato in grado di misurare l'elasticità dei corpi dei pesci mentre nuotano, ma è opinione comune che l'elasticità debba aiutare ad immagazzinare energia e migliorare l'efficienza del nuoto.

Il modello di Tingyu e compagni fornisce anche qui alcune informazioni, mostrando come l'elasticità varia con la forza e la potenza generate dal corpo. I ricercatori mostrano come anguille e sgombri debbano diventare elastici in punti diversi del loro corpo e in punti diversi durante ogni ciclo ondulatorio. Questa osservazione è coerente con i risultati di studi precedenti secondo cui un'elasticità adeguata può risparmiare e ripristinare l'energia per migliorare l'efficienza, affermano.

Ciò solleva la questione di come avvenga questo trasferimento di energia attraverso i corpi dei pesci. Una delle caratteristiche anatomiche sconcertanti dei nuotatori di tipo sgombro è che hanno tendini che si estendono lungo i loro corpi verso la coda. Se ogni vertebra agisse come un'unità indipendente, come suggerisce la teoria di Taylor, questo tipo di tendine non sarebbe necessario.

Ma nel nuovo modello sviluppato da Tingyu e co, è esattamente ciò che serve. Ipotizziamo che questi lunghi tendini siano usati per trasferire energia, dicono.

Questo è un lavoro interessante, e non solo perché fornisce una visione dettagliata di una delle forme di propulsione più comuni nel mondo naturale. Si scopre che la propulsione dei pesci è molto più complessa di quanto si pensasse inizialmente e presumibilmente altrettanto difficile da riprodurre artificialmente.

Ma il lavoro di Tingyu e co offre una via da seguire per i bioingegneri che sperano di riprodurre la propulsione dei pesci in dispositivi artificiali. Un giorno potrebbe aiutare anche i sottomarini a viaggiare più velocemente. Gli umani hanno molto da recuperare!

Rif: arxiv.org/abs/1812.02410 : How fish power swimming: uno studio di fluidodinamica computazionale 3D

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