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¿Cuánto reducen la resistencia del agua las ranuras de la piel del tiburón?

Categoría: Seres vivos

Si miras la piel de un tiburón con una lupa potente, no es lisa: está cubierta de escamas diminutas, parecidas a pequeños dientes, y en las superficies estudiadas esas escamas presentan surcos muy finos alineados con la dirección del flujo. Se suele decir que esos surcos ayudan al tiburón a deslizarse por el agua.

La respuesta corta: en el laboratorio, surcos de este tipo han reducido la resistencia por fricción en torno a un 8 % en el resultado de Walsh y, en medidas locales de túnel, hasta cerca del 10 %[4], pero la ventaja depende mucho del tamaño del surco[2]. Y la piel real parece hacer algo más que reducir la fricción[1]. Veamos de dónde salen esas cifras y por qué un traje de baño que imitaba la piel de tiburón no resolvió la cuestión.

1. Qué son los surcos de la piel del tiburón y qué se espera de ellos

Las escamas del tiburón se llaman dentículos dérmicos. Los estudios que usan sus formas las comparan con superficies con «riblets»: surcos muy finos y paralelos a la dirección del flujo[1][2]. Cuando el agua (o el aire) corre rápido junto a una superficie, se forma un flujo turbulento con pequeños remolinos que rozan la pared y aumentan la fricción. La idea es que los surcos ayudan a mantener una parte de esos remolinos algo alejada de la superficie.

Conviene decir que esto es una explicación del mecanismo que se usa en la investigación, no algo que se vea a simple vista. Y la medida que se usa en estos experimentos suele ser el porcentaje de resistencia que baja respecto a una superficie lisa.

2. Cuánto bajó la resistencia en los experimentos con surcos

Los primeros resultados serios para la aviación vinieron del Centro de Investigación Langley de la NASA, en Estados Unidos. Un trabajo de Michael Walsh (1986) describe surcos longitudinales alineados con la corriente, con alturas y separaciones del orden de los remolinos de la pared, y un resultado de reducción neta de la resistencia de alrededor del 8 %[4]. El mismo resumen señala que bajar solo un 10 % la fricción del fuselaje podría ahorrar unos 250 millones de dólares al año en combustible a la flota comercial de aquella época[4].

Esas cifras son de máquinas y túneles, no de tiburones, y dependen de las condiciones del ensayo. Por eso no hay un único número que dé «lo que reduce el surco»: lo honesto es hablar de un orden de magnitud de alrededor del 8 % en el resultado de Walsh y hasta cerca del 10 % en medidas locales.

3. Por qué más grande no es mejor: el tamaño del surco importa

Parece lógico pensar que unos surcos mayores reducirían aún más la resistencia. No es así. Un estudio teórico y numérico de García-Mayoral y Jiménez (2011) analizó cómo interactúa el flujo turbulento con los surcos. Cuando los surcos son muy pequeños, la reducción de resistencia es proporcional a su tamaño. Pero con surcos mayores esa proporcionalidad se rompe, y la reducción puede acabar convirtiéndose en un aumento de la resistencia[2].

Los autores encontraron que el punto de ruptura se describe mejor con el área de la sección del surco que con la separación entre surcos. Y no lo atribuyeron a que los remolinos se queden atrapados dentro de los surcos, sino a la aparición de remolinos casi bidimensionales sobre la superficie[2]. En otras palabras: existe un tamaño adecuado para cada velocidad del flujo, y por eso copiar la forma del tiburón sin ajustar el tamaño no basta.

4. La piel de verdad: ¿solo reduce la resistencia o ayuda también a avanzar?

En 2012, Johannes Oeffner y George Lauder, de la Universidad de Harvard, probaron piel de tiburón real en un robot: una lámina que se mueve de un lado a otro y nada sola, de modo que se mide la velocidad que alcanza. La lámina nadó un 12,3 % más rápido con piel flexible de tiburón que con una versión de esa piel sin dentículos. Un material de silicona con surcos artificiales dio un 7,2 %[1]. Los autores comentan que la visualización del flujo sugiere que los dentículos podrían reforzar la succión cerca del borde de ataque, de modo que ayudarían tanto a reducir la resistencia como a generar empuje[1].

Dos precauciones. Primero, estos porcentajes miden la velocidad de nado de un robot, no la resistencia, así que no se pueden sumar con las cifras de la sección anterior. Segundo, es un experimento con un dispositivo concreto: no dice que un tiburón de verdad nade un 12,3 % mejor gracias a su piel. Y solo la piel flexible mostró la ventaja; en una versión rígida no apareció la diferencia, según el mismo resumen[1].

5. Los trajes de baño inspirados en la piel de tiburón: ¿ayudaron a los nadadores?

Un traje de cuerpo entero que imitaba la textura de la piel de tiburón salió al mercado en 1999 y se hizo famoso antes de los Juegos Olímpicos de Sídney 2000. Según una revisión de estudios publicada en 2019, su fabricante aseguraba una reducción del 7,5 % de la resistencia total. Una medición de Toussaint y su equipo (2002) encontró una reducción de solo un 2 %, que no era estadísticamente significativa (p = 0,31)[3].

Por su parte, el experimento del robot de Harvard probó también una tela de traje de baño «tipo piel de tiburón» y no encontró una mejora constante de la velocidad[1]. La revisión de 2019 recoge que se ha considerado la compresión del cuerpo como la causa principal de la mejora de rendimiento, y concluye que no hay consenso entre los estudios[3]. Desde el 1 de enero de 2010, entraron en vigor nuevas reglas que dejaron fuera los modelos anteriores[3].

Esto no significa que los surcos del tiburón no sirvan. Una tela de traje de baño no tiene la forma, el tamaño ni la flexibilidad de la piel real, y vimos que el tamaño del surco importa mucho. Lo que dicen los datos es más modesto: un traje de ese tipo no demostró una ventaja clara.

6. Cómo seguir investigando por tu cuenta

Si en un acuario o en un museo hay una muestra de piel de tiburón que se pueda tocar, pregunta primero a la persona encargada. Si te dejan, pasa la mano de la cabeza hacia la cola y luego en sentido contrario, y compara lo que notas. En casa, con una persona adulta cerca, abre la mano bajo el agua de la bañera y muévela de lado y de canto: ¿cuándo sientes más resistencia? Y si lees una cifra como «reduce un 7,5 %», pregunta qué se midió: la fricción, la velocidad de nado o el tiempo de una carrera. No son lo mismo.

Fuentes

  1. Oeffner, J. y Lauder, G. V., «The hydrodynamic function of shark skin and two biomimetic applications», Journal of Experimental Biology 215(5): 785-795 (2012), DOI 10.1242/jeb.063040. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22323201/ (Solo el resumen, leído a través de un resumen del registro de Europe PMC; el texto completo es de pago y no se pudo abrir. Las cifras del 12,3 % y el 7,2 %, la tela de traje de baño y la succión en el borde de ataque salen de ahí. No se leyó la introducción, por lo que no se usan las cifras de estudios anteriores que cita.)
  2. García-Mayoral, R. y Jiménez, J., «Drag reduction by riblets», Philosophical Transactions of the Royal Society A 369(1940): 1412-1427 (2011). https://doi.org/10.1098/rsta.2010.0359 (Solo el resumen, leído en los metadatos de Crossref; la página de la revista dio error 403. Es un estudio de simulación y teoría del flujo, no de piel real.)
  3. Morales, A. T., Tamayo Fajardo, J. A. y González-García, H., «High-Speed Swimsuits and Their Historical Development in Competitive Swimming», Frontiers in Psychology 10: 2639 (2019). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6927279/ (Revisión de acceso abierto, leída a través de un resumen de las primeras 100.000 de unas 128.000 letras. Lanzamiento de 1999, afirmación del 7,5 %, medición de Toussaint de 2002 (2 %, p = 0,31), compresión corporal y cambio de reglas de 2010. El texto no habla de una prohibición expresa, por eso se dice solo que se retiraron los modelos anteriores. Lo que se cuenta del fabricante procede de esta revisión, que lo describe como una afirmación exagerada.)
  4. Walsh, M. J., «Riblets for aircraft skin-friction reduction», NASA Langley Research Center, Langley Symposium on Aerodynamics, vol. 1 (1986). https://ntrs.nasa.gov/citations/19880005573 (Solo el resumen del registro de la NASA, leído a través de un resumen. Surcos longitudinales, reducción neta de alrededor del 8 % y el ahorro estimado para la flota. Una búsqueda aparte da, para túneles de viento de Langley, valores locales de 8 a 10 %; de ahí el «hasta cerca del 10 %». No se pudo confirmar la cifra del 2 % en vuelo que da la versión japonesa para un avión comercial, y por eso no se incluye.)

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