Explicada la física de las espectaculares habilidades de los pingüinos bajo el agua

Una nueva investigación ha recreado en 3D la cinemática y las fuerzas hidrodinámicas que permiten a los pingüinos girar con tanta maestría bajo el agua, un descubrimiento interesante tanto para la biología como para la ingeniería.

Los pingüinos constituyen una fascinante familia de aves no voladoras que, aunque algo torpes en tierra, son nadadores extremadamente talentosos. Algunos son capaces de avanzar bajo el agua a más de 300 metros de profundidad y de permanecer sumergidos hasta 20 minutos.

Los cerebros de las aves son increíblemente sagaces y económicos

Su increíble maniobrabilidad en el agua ha cautivado a los biólogos durante décadas, y los primeros estudios hidrodinámicos sobre su natación se remontan a la década de 1970.

Los pingüinos emperador en la Antártida, por ejemplo, poseen una habilidad extraordinaria para reducir la resistencia hidrodinámica, ya sea cuando aceleran dentro del mar o cuando saltan fuera del agua sobre capas de hielo resbaladizas.

Además de los pingüinos emperador, casi todos los pingüinos pueden lograr de manera eficiente la reducción de la resistencia, lo que les beneficia para ahorrar energía y sobrevivir en condiciones adversas.

Cuestión de giros

Aunque unos pocos estudios han aclarado parte de la física que está detrás de la destreza de los pingüinos en el agua, la mayoría de estas investigaciones se han centrado en su habilidad para nadar hacia adelante, en lugar de analizar sus espectaculares giros, que resultan de gran interés para la navegación, la ingeniería o la robótica.

Si bien se puede argumentar que los estudios existentes sobre los mecanismos de giro de las aves voladoras podrían arrojar algo de luz sobre este tema, hay que tener en cuenta que el agua es 800 veces más densa que el aire y que, por lo tanto, los mecanismos de giro empleados por los pingüinos son presumiblemente muy diferentes a los de otros medios naturales.

En un esfuerzo por cerrar esta brecha de conocimiento, un par de científicos japoneses del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), incluido el profesor asociado Hiroto Tanaka, realizaron recientemente un estudio.

El objetivo principal de este trabajo, que se publicó en Journal of Experimental Biology, era obtener una mejor comprensión de la trayectoria o cinemática tridimensional (3D) y de las fuerzas hidrodinámicas que permiten a los pingüinos girar con tanta maestría bajo el agua.

Muchas cámaras bajo el agua

Los investigadores grabaron dos sesiones de pingüinos papúa (Pygoscelis papua) nadando libremente en un gran tanque de agua en el Acuario de Pingüinos de Nagasaki, Japón, utilizando una docena o más de cámaras subacuáticas.

Luego, gracias a una técnica llamada transformación lineal directa en 3D, pudieron integrar datos de todas las imágenes y realizar análisis de movimientos en 3D, detallados mediante el seguimiento de varios puntos en el cuerpo y las alas de los pingüinos.

Armados con estos datos, los investigadores establecieron un modelo matemático 3D del cuerpo de los pingüinos.

Este modelo cubrió la orientación y los ángulos del cuerpo, las diferentes posiciones y movimientos de las alas durante cada golpe, los parámetros cinemáticos asociados y las fuerzas hidrodinámicas, así como varias métricas de giro.

A través de análisis estadísticos y de comparaciones con los datos experimentales, los investigadores validaron el modelo y obtuvieron información sobre el papel de las alas y otros movimientos del cuerpo durante el giro de los pingüinos en el agua, con resultados sorprendentes.

Principales resultados

Los principales hallazgos están relacionados con la forma en la que los pingüinos generan fuerza centrípeta para ayudarse en sus giros. La fuerza centrípeta es una fuerza neta que actúa sobre un objeto para mantenerlo en movimiento a lo largo de una trayectoria circular.

Logran esta fuerza, en parte, manteniendo la inclinación hacia afuera, lo que significa que inclinan sus cuerpos de manera que su vientre mira hacia adentro.

Cierta asimetría

En los giros impulsados, aquellos en los que el pingüino bate sus alas, la mayoría de los cambios de dirección ocurren durante la carrera ascendente, mientras que el empuje hacia adelante ocurre durante la carrera descendente.

Además, resulta que los pingüinos baten sus alas con cierta asimetría durante los giros motorizados. “Observamos diferencias contralaterales en el movimiento de las alas; el ala en el interior de la curva se eleva más durante la carrera ascendente que la otra”, explica el profesor Tanaka en un comunicado.

“Los cálculos casi constantes de las fuerzas del ala confirmaron que esta asimetría en el movimiento del ala con la inclinación hacia fuera contribuye a la generación de la fuerza centrípeta durante la carrera ascendente. En la siguiente carrera descendente, el ala interior genera un par de empujes y contravirajes para frenar el giro”.

Mayor comprensión

En general, estos hallazgos contribuyen a una mayor comprensión de cómo giran los pingüinos cuando nadan, lo cual es relevante tanto desde el punto de vista biológico como de la ingeniería, disciplinas que han sido capaces de generar algoritmos bioinspirados en las habilidades natatorias de los pingüinos.

Sin embargo, Tanaka aclara que sus hallazgos aportan solo una pieza del rompecabezas: “Todavía se desconocen los mecanismos de varias otras maniobras en los pingüinos, como la aceleración rápida, el cabeceo hacia arriba y hacia abajo y el salto fuera del agua. Nuestro estudio sirve como base para una mayor comprensión de maniobras más complejas”, concluye.