Por anos, B. Ubbo Felderhof, professor do Instituto de Física Teórica da Universidade RWTH Aachen da Alemanha, explorou os mecanismos dos quais peixes e microrganismos dependem para se propelirem. Pássaros e insetos voadores enfrentam desafios semelhantes para se propelirem, mas, sem o luxo da flutuabilidade, essas criaturas também lutam contra a gravidade para permanecer no ar.

Mais de 20 anos atrás, Felderhof estava estudando a teoria por trás da "natação" de microorganismos, descrito pelas interações de fricção entre os microrganismos e seu fluido circundante. Por causa da pequena massa de muitos microorganismos como bactérias, tais forças inerciais podem ser desprezadas na descrição. Para organismos ligeiramente maiores, Contudo, Este não era o caso.

Felderhof, desde então, criou modelos mecânicos para desenvolver mais plenamente a teoria, consistindo em cadeias lineares de esferas conectadas por molas e imersas em fluido. Aqui ele levou em consideração que a interação com o fluido envolve atrito e inércia, uma vez que o efeito da massa não pode ser negligenciado para essas estruturas maiores.

Como Felderhof agora relata em Física dos Fluidos , ele apenas levou este trabalho ainda mais longe ao abordar o que acontece no caso de adicionar uma esfera à cadeia que é muito maior do que as outras esferas.

Felderhof estuda estruturas de esferas porque o efeito da fricção e da inércia do fluido no movimento de uma única esfera é bastante conhecido. Com múltiplas esferas, Contudo, a imagem é mais complexa e deve levar em consideração posições e orientações. "Para várias esferas, há a complicação das interações hidrodinâmicas devido à interferência dos padrões de fluxo, "disse ele." Essas interações hidrodinâmicas dependem das posições relativas dos centros das esferas. "

Se as posições relativas das esferas são variadas periodicamente pela aplicação de uma força oscilante em cada uma delas, com a restrição de que a força líquida total desaparece a qualquer momento, o sistema ainda vê movimento. "Apesar da última restrição, o conjunto de esferas em geral realiza um movimento líquido, que é chamado de 'natação, '"Felderhof disse.

Uma formulação matemática permite encontrar o curso ideal - as forças aplicadas combinadas - que produz a velocidade média máxima para uma dada potência.

Para este novo trabalho, Felderhof explorou uma cadeia linear de esferas com uma grande, esfera passiva, significando que a força aplicada naquela esfera desaparece. "A grande esfera é chamada de 'carga, '", disse ele." Pense nisso como um grande corpo com pequenos apêndices móveis, ou de um barco sendo empurrado ou puxado por uma pequena hélice. "

Seu trabalho fornece um importante esclarecimento conceitual da teoria dos fluxos. "Em explicações populares sobre nadar e voar, somos informados de que a velocidade é alcançada por um equilíbrio de empuxo e arrasto, "Felderhof disse." Meus cálculos de modelo, Contudo, mostram que o empuxo médio e o arrasto desaparecem quando calculados a média ao longo de um período. O efeito é mais sutil. As interações do corpo e do fluido são tais que as deformações periódicas da forma do corpo levam a um movimento líquido em relação ao fluido, mesmo que o impulso da rede desapareça. "

Muito do trabalho anterior sobre natação se concentrou no limite dominado pela fricção, válido para microorganismos, ou no limite dominado pela inércia, válido para animais de grande porte. "No meu modelo, tanto o atrito quanto a inércia desempenham um papel para que a natação possa ser estudada no regime intermediário, onde ambos os efeitos são importantes, " ele disse.

Em termos de aplicações, o modelo de corrente linear de natação é particularmente útil por causa de sua estrutura esguia e capacidade de viajar através de tubos estreitos, tais veias humanas.

“Os biólogos já cogitaram a possibilidade de transporte de drogas por esses meios, "Felderhof disse." E agora desenvolvemos um modelo matemático que permite a otimização das deformações do corpo, o que leva à velocidade máxima para determinada potência. Este método não se limita a cadeias lineares, portanto, podemos imaginar aplicá-lo a estruturas mais complicadas em trabalhos futuros. "

Primeiro, Felderhof aponta que é importante validar o modelo por comparação com simulações de computador e experimentos subsequentes, que está além de seu foco, então ele espera que outros pesquisadores o busquem.

"Fricção e inércia não são os únicos efeitos que podem levar à natação, "Felderhof disse." As batidas causam a liberação de vórtices e, possivelmente, uma 'rua' de vórtices. Este efeito está ausente do meu modelo, mas pode ser essencial para a natação de alguns peixes e para pássaros voadores. Será importante estabelecer a importância relativa do atrito, inércia, e derramamento de vórtice, mas no momento não vejo como isso pode ser realizado na teoria analítica. Novamente, simulação de computador seria útil. "