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Novas descobertas sobre como os tubarões conseguem reduzir o arrasto podem inspirar o design de riblets para aeronaves e barcos mais eficientes. Em sua investigação sobre os dentículos do tubarão-branco, pesquisadores da Tokyo Tech descobriram que a altura e o espaçamento da crista desempenham papéis cruciais na redução do arrasto em diferentes velocidades de nado. As cristas médias mais altas auxiliam os tubarões em cruzeiros eficientes em velocidades mais lentas, enquanto as cristas laterais mais baixas se tornam mais críticas para a redução do arrasto durante explosões de caça em alta velocidade. A análise também sugere que as velocidades de um tubarão gigante extinto, o megalodon, podem não diferir muito das do tubarão branco.
O grande tubarão branco, um dos predadores mais eficientes do oceano, possui pequenas estruturas semelhantes a dentes em sua pele, chamadas dentículos dérmicos, que talvez reduzam o arrasto de fricção conforme ele se move pela água. A redução do arrasto os ajudaria a serem caçadores rápidos, atingindo velocidades de caça de até 6,7 m/s, bem como nadadores de longa distância, viajando distâncias de até 20.000 quilômetros com eficiência. Engenheiros se inspiraram nesses dentículos para projetar riblets ou pequenas cristas unidirecionais para aeronaves e veleiros. No entanto, os dentículos no corpo de um tubarão variam em forma, tamanho e espaçamento, complicando a compreensão de como eles afetam coletivamente a redução do arrasto.
Em um estudo publicado no Revista da Royal Society Interfacepesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio desenvolveram modelos 3D de dentículos de tubarão branco. Eles analisaram o tamanho hidrodinâmico das cristas médias altas e das cristas laterais baixas dos dentículos em relação às velocidades de natação do tubarão. Os pesquisadores descobriram que esses dentículos são projetados para reduzir o arrasto em uma ampla faixa de velocidades, permitindo que os tubarões ganhem explosões de velocidade para caçar e naveguem com eficiência por longas distâncias.
“Nossos cálculos sugerem que a combinação de cristas altas e baixas dos dentículos resulta da adaptação a velocidades de natação lentas e altas, oferecendo assim robustez a várias condições de natação”, diz o professor associado Hiroto Tanaka, autor correspondente do estudo.
Os pesquisadores coletaram amostras de pele de 17 locais diferentes de um tubarão branco (Carcharodon carcharias) espécime, incluindo o focinho, barbatana dorsal, corpo lateral, corpo ventral, barbatana caudal e ambos os lados dorsal e ventral da barbatana peitoral (Figura 1).
Essas amostras foram escaneadas com um scanner de TC de raios X de microfoco para criar modelos 3D detalhados, que foram então analisados para medir o espaçamento e a altura das cristas. De acordo com os estudos anteriores de dinâmica de fluidos de riblets, as cristas dos dentículos possivelmente reduzem o arrasto de fricção ao levantar vórtices turbulentos para longe da superfície da pele do tubarão. Esses vórtices são maiores e mais distantes da pele em velocidades de cruzeiro mais lentas, mas encolhem à medida que o tubarão nada mais rápido (Figura 2). Portanto, o espaçamento e a altura dessas cristas são cruciais porque determinam a eficácia com que o tubarão interage com esses vórtices.
Para estudar esses aspectos, os pesquisadores modelaram o corpo do tubarão como uma placa plana do mesmo comprimento e definiram valores adimensionais para o espaçamento (e+) das cristas dos dentículos. Esses valores normalizam as dimensões físicas das cristas pelas características do fluxo. Parâmetros não dimensionais foram calculados para velocidades de natação de 1 m/s, 2 m/s, 5 m/s e 10 m/s, e comparados a um riblet recortado bem estudado, semelhante aos dentículos de tubarão. O riblet de referência é conhecido por reduzir o arrasto de fricção ao máximo em e+ de 17. Ao comparar esse valor, os pesquisadores puderam determinar como o espaçamento das cristas dos dentículos dos tubarões influencia a redução do arrasto em diferentes velocidades.
Como resultado, os pesquisadores descobriram que o e2+ das cristas médias mais altas torna-se aproximadamente 17 a 2 m/s, o que corresponde à velocidade de migração medida. Em velocidades de caça de 5 m/s, e1+ das cristas altas e baixas vizinhas torna-se aproximadamente 17, indicando o efeito máximo de redução de arrasto.
“Cristas altas provavelmente reduzem o arrasto em baixas velocidades de natação, e cristas alternadas altas-baixas reduzem o arrasto em altas velocidades de natação, cobrindo toda a gama de velocidades de natação. Nosso método de cálculo também pode ser aplicado a outros tubarões, incluindo espécies extintas”, diz Tanaka. Com base em dados disponíveis de fósseis, as velocidades de nado de um megalodonte, um tubarão gigante extinto com morfologia de dentículo semelhante, são calculadas em 2,7 m/s e 5,9 m/s, respectivamente. Assim, apesar do corpo grande, a velocidade do megalodonte pode não diferir muito da do tubarão branco. Ao descobrir como os dentículos dos tubarões funcionam, este estudo pode levar a novos designs de riblets com cristas altas e baixas em engenharia e novos métodos de análise para o estudo biológico da evolução dos tubarões.
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