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Aleta

Las aletas suelen funcionar como láminas que proporcionan sustentación 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 unido a un cuerpo o estructura más grande. Las aletas generalmente funcionan como láminas que producen sustentación 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 dirigen activamente con las aletas pectorales y caudales . Mientras nadan, utilizan otras aletas, como la dorsal y la anal , para conseguir estabilidad y afinar sus maniobras. [3] [4]

Las aletas de las colas de los cetáceos, ictiosaurios , metriorrínquidos , mosasaurios y plesiosaurios se denominan trematodos .

generación de empuje

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 obtienen un impulso significativo moviendo sus aletas hacia adelante y hacia atrás en el agua. A menudo se utiliza la aleta caudal , pero algunos animales acuáticos generan empuje a partir de las aletas pectorales . [3] Las aletas también pueden generar empuje si giran en el aire o en el agua. Las turbinas y hélices (y a veces ventiladores y bombas ) utilizan una serie de aletas giratorias, también llamadas láminas, alas, brazos o palas. Las hélices utilizan las aletas para traducir la fuerza de torsión en empuje lateral, impulsando así un avión 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

La cavitación puede ser un problema en aplicaciones de alta potencia, provocando 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 caudales de poderosos animales marinos nadadores, como los delfines y el atún. 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 daño por cavitación. [8]

Los peces escómbridos (atún, caballa y bonito) son nadadores especialmente destacados. 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 aletillas. 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 caballa nadando". [9] [10] [11]

Los peces utilizan 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 del flujo en la aleta caudal. En 2011, los investigadores que utilizaron técnicas de imágenes volumétricas pudieron generar "las primeras vistas tridimensionales instantáneas de las estructuras de estela tal como las producen los peces que nadan libremente". Descubrieron que "los continuos latidos 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 posterior latido de la cola". [12]

Control de movimiento

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 aletas y giran con estabilizadores y aletas de quilla. [15] Los aviones logran resultados similares con pequeñas aletas especializadas que cambian la forma de sus alas y aletas traseras. [dieciséis]

Se utilizan aletas especializadas para controlar el movimiento.
Aleta caudal de un gran tiburón blanco

Las aletas estabilizadoras se utilizan como plumas en flechas y algunos dardos , [21] y en la parte trasera de algunas bombas , misiles , cohetes y torpedos autopropulsados . [22] [23] Por lo general, son planos y tienen forma de alas pequeñas, aunque a veces se utilizan aletas de rejilla . [24] También se han utilizado aletas estáticas para un satélite, GOCE .

Las aletas de cola estáticas se utilizan como estabilizadores.

Regulación de la temperatura

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.

Ornamentación y otros usos

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 de color púrpura, grande y visualmente llamativa . "Los investigadores descubrieron 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

Remodelar 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 brindan a los surfistas medios para maniobrar y controlar sus tablas. Las tablas de surf contemporáneas suelen tener una aleta central y dos aletas laterales curvadas . [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 suelen estar diseñados para la velocidad, aerodinámicos como torpedos para minimizar la fricción mientras se mueven por el agua. Los peces de arrecife operan en espacios relativamente reducidos y complejos paisajes submarinos de los arrecifes de coral . Debido a que esta maniobrabilidad es más importante que la velocidad en línea recta, los peces de los arrecifes de coral han desarrollado cuerpos que optimizan su capacidad para lanzarse y cambiar de dirección. Burlan a los depredadores metiéndose en fisuras en el 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 , la damisela y el pez ángel , han evolucionado para poder 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 están comprimidos profunda y lateralmente como un panqueque, y encajan en las fisuras de 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 aletas pectorales para nadar y apenas usan aletas caudales. [38]

Otros usos

Evolución

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: "Los pájaros en cierto modo se parecen a los peces. Porque los pájaros tienen sus alas en la parte superior de su cuerpo y los peces tienen dos aletas en la parte frontal de su cuerpo. 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 aletas delanteras".

– Aristóteles, De incessu animalium [43]

Existe una vieja teoría, propuesta por el anatomista Carl 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 llegar a 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 de desarrollo que nos 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 homólogos en serie y, por lo tanto, que las aletas pueden haber evolucionado a partir de 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. Usaban pares de aletas pectorales y pélvicas para la locomoción. Las aletas pectorales se convirtieron en patas delanteras (brazos en el caso de los humanos) y las aletas pélvicas se convirtieron en patas traseras. [49] Gran parte de la maquinaria genética que construye una extremidad andante en un tetrápodo ya está presente en la aleta nadadora de un pez. [50] [51]

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

En 2011, investigadores de la Universidad de Monash en Australia utilizaron peces pulmonados primitivos pero aún vivos "para rastrear la evolución de los músculos de las aletas pélvicas y 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 en 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 , aves y murciélagos evolucionaron a lo largo de caminos independientes hasta convertirse en alas voladoras. Incluso con alas voladoras hay muchas similitudes con patas para caminar, y se han conservado 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 empezó a regresar al mar hace unos 52 millones de años, completando así un círculo. Se trata de los cetáceos (ballenas, delfines y marsopas). Análisis recientes de ADN sugieren que los cetáceos evolucionaron a partir 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 eran los sellos . [60] Lo que se había convertido en miembros andantes de los cetáceos y las focas evolucionó aún más, de forma independiente en una forma inversa de evolución convergente, hasta llegar a nuevas formas de aletas nadadoras. Las extremidades anteriores se convirtieron en aletas y las traseras en una cola terminada en dos aletas, llamada aleta en el caso de los cetáceos. [61] Las colas de los peces suelen ser verticales y se mueven de un lado a otro. Las aletas de los cetáceos son horizontales y se mueven hacia arriba y hacia abajo, porque las espinas de los cetáceos se curvan de la misma manera que las de 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 ancestros 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 cuchilla en la cola que sirviera de precursor". [64]

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

Robótica

En la década de 1990, la CIA construyó un pez gato robótico llamado Charlie para probar la viabilidad de vehículos submarinos no tripulados.

El uso de aletas para la propulsión de animales acuáticos puede resultar notablemente eficaz. Se ha calculado que algunos peces pueden alcanzar una eficiencia propulsora superior al 90%. [3] Los peces pueden acelerar y maniobrar mucho más eficazmente que los barcos o los submarinos , y producen menos perturbaciones en el agua y menos ruido. Esto ha llevado a estudios biomiméticos de robots submarinos que intentan emular la locomoción de animales acuáticos. [66] Un ejemplo es el Robot Tuna construido por el Instituto de Robótica de Campo, para analizar y modelar matemáticamente el movimiento tunniforme . [67] En 2005, el Acuario Sea Life de Londres exhibió 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 intentando 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 en el MIT creó un prototipo de un pez robótico biomecatrónico con un actuador viviente trasplantando quirúrgicamente músculos de 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 en la investigación, como la capacidad de examinar parte del diseño de un pez de forma aislada del resto y la variación de un solo parámetro, como la flexibilidad o la dirección. Los investigadores pueden medir directamente las fuerzas con mayor facilidad que 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. Y se pueden programar los componentes individuales de un movimiento natural (como el movimiento hacia fuera o el movimiento de un apéndice aleteante) por separado, lo que ciertamente es difícil de lograr cuando se trabaja con un animal vivo". [78]

Ver también

Referencias

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