¿Por qué el pez en el agua es más rápido que el pájaro en el aire?

Question

Mientras leía el artículo Las lecciones de Leonardo: Cómo ser un genio creativo en el Wall Street Journal, me encontré con una pregunta centenaria que Leonardo da Vinci escribió en su cuaderno. La pregunta era:

¿Por qué el pez en el agua es más rápido que el pájaro en el aire cuando debería ser lo contrario, ya que el agua es más pesada y más espesa que el aire?

Reflexioné un rato sobre esta pregunta. De hecho, el agua es más densa que el aire. Lo que pensé fue que el pez podría haberse desplazado a lo largo de las corrientes de agua para moverse, pero ¿no puede aplicarse lo mismo a los pájaros (viajando con los vientos)? ¿Alguien tiene una comprensión más detallada de esta pregunta?

Answer 1

La velocidad de cualquier objeto es un equilibrio entre la fuerza de arrastre sobre el objeto y la propulsión que el objeto puede crear. Alcanzar altas velocidades, o posiblemente más relevante en este caso, alta aceleración requiere hacer que la propulsión sea lo más alta posible mientras se mantiene el arrastre lo más bajo posible.

El agua es mucho más densa que el aire, pero esto afecta el arrastre principalmente cuando el flujo es turbulento y el arrastre está dominado por fuerzas inerciales. En este régimen, el arrastre es efectivamente debido a tener que empujar al medio fuera del camino, y es más fácil apartar el aire de baja densidad que el agua de alta densidad. Sin embargo, si puedes mantener el flujo laminar, la densidad no es un factor tan importante y el arrastre está dominado por la viscosidad del medio. El agua es mucho más viscosa que el aire (además de ser más densa), pero para objetos aerodinámicos, el arrastre debido a la viscosidad se puede mantener notablemente bajo.

Donde gana el agua es que es mucho más fácil desarrollar una alta propulsión en agua que en aire. En un medio fluido, donde no hay nada sólido contra lo que empujar, produces propulsión básicamente de la misma manera en que lo hace un cohete. Si empujas lejos alguna masa de agua $m$ con una velocidad $v$, entonces el impulso del agua cambia por $mv$, lo que significa que tu impulso cambia por $-mv$. Así que empujas el agua en una dirección y aceleras en la otra dirección. La propulsión que generas es simplemente la tasa de cambio de impulso del agua.

Y ahora debería quedar claro por qué es más fácil generar una alta propulsión en agua que en aire. Porque el aire es de baja densidad y no puedes empujar una alta masa de él (a menos que seas muy grande), por lo que es difícil cambiar su impulso por mucho.

Así que para resumir:

• en agua el arrastre es alto pero es fácil generar una alta propulsión

• en aire el arrastre es bajo pero es difícil generar una alta propulsión.

Cómo se comparan las velocidades en agua y aire dependen del exacto equilibrio entre el arrastre y la propulsión. El pez vela puede alcanzar velocidades de 68 mph, pero hacen esto principalmente siendo muy aerodinámicos para poder mantener el arrastre tan bajo como sea posible mientras explotan la alta propulsión que pueden obtener del agua. Las aves generalmente no alcanzan velocidades tan altas porque aunque el arrastre en el aire es bajo, simplemente no pueden generar la propulsión requerida para altas velocidades. Los halcones peregrinos pueden alcanzar velocidades de 200 mph, mucho más rápido que un pez vela, pero lo hacen solo en picadas donde la gravedad proporciona la propulsión.

Answer 2

Además de @JohnRennie y @WetSavannaAnimalakaRodVance que intentan responder la pregunta basándose en la misma lógica que mi primer punto a continuación, tengo algunos otros aspectos. De hecho, me di cuenta de que mis otros dos puntos deben ser cruciales, de lo contrario no habría motivo por el cual los peces y aves funcionen de manera tan diferente actualmente.

• Dado que el agua es un medio más viscoso para viajar, un ligero cambio de forma (del viajero) produce un ángulo de curvatura mayor; el giro es más rápido.

• Los peces se mueven más como serpientes, girando sus cuerpos de un lado a otro, por lo que sus músculos son igual de buenos para girar ya que el gesto requerido es similar. Las aves avanzan agitando sus alas y girar requiere inclinar sus alas, por lo que necesitarían músculos secundarios para hacerlo. Por lo tanto, los peces deben ser anatómicamente superiores a las aves para cambiar de dirección lateral.

• Las aves tienen que usar energía para mantenerse constantemente a la misma altitud mediante el movimiento (agitando sus alas). Mientras que los peces tienen un órgano llamado vejiga natatoria para regular su profundidad. Si las aves estuvieran usando el mismo tipo de órgano para la altitud (y fueran efectivamente tan densas como el aire que las rodea) es probable que hubieran evolucionado para poder moverse más ágilmente lateralmente, al igual que los peces. Edit: algunas aves pueden mantener la altitud con un consumo de energía mínimo extendiendo sus alas mientras planean. Sin embargo, esto no contradice mi punto; mientras las aves planean no pueden realizar movimientos ágiles sin detener su planeo y perder altitud. En cambio, los peces pueden utilizar su vejiga natatoria y realizar movimientos rápidos simultáneamente.

Answer 3

¡Es como comparar manzanas y naranjas!

¡Los medios son el factor más importante en la forma en que las cosas y los animales se mueven en ellos, no los peces o aves!

¡Si escalas el agua y el aire de acuerdo con su densidad y viscosidad y consideras la propulsión y maniobrabilidad de aves y peces, verás que ambos ofrecen las mismas oportunidades para que los animales se muevan de manera eficiente más o menos al mismo nivel!

¡Si consideras que las aves tienen una densidad muy ligera, tienen huesos huecos y pesan mucho menos que un pez del mismo tamaño, te das cuenta de que la naturaleza los ha diseñado para un medio diferente y sus velocidades y aceleraciones deben estar en referencia con ese medio! ¡Si impones a un pájaro las mismas fuerzas que se requieren para maniobrar un pez mientras mueve su cola, por ejemplo, el pájaro resultará herido!

Claro está que hay muchos otros factores que contribuyen a la forma en que los peces y las aves se mueven y giran, como el tamaño óptimo para el ecosistema y el equilibrio térmico en su cuerpo, su presa y su depredador.

Answer 4

Desde tu comentario:

Es agilidad aquí, no velocidad

parece que estás hablando de la mayor agilidad de un pez, es decir, su capacidad de cambiar de dirección, reorientarse y acelerar rápidamente. Puedes responder a esta pregunta mediante un experimento mental: ¿qué sucedería si drenamos el aire alrededor del pájaro (asumiendo que aún pueda respirar)? Nos acercaríamos a la situación en la que el pájaro estuviera en el espacio exterior; entonces no habría nada contra lo que empujar y, por lo tanto, no podría cambiar en absoluto el estado de movimiento de su centro de masa.

Los pájaros y los peces cambian su estado de movimiento al "lanzar" el fluido en el que están inmersos. Empujan el fluido, y el fluido empuja de vuelta sobre ellos, según la tercera ley de Newton (ver también la pregunta ¿Qué realmente permite a los aviones volar). En el caso del pez, el fluido tiene una masa mucho mayor por unidad de volumen, por lo que tiene que empujar mucho menos de ese fluido para obtener el mismo impulso. Es un poco como el experimento mental: imagina que estás en el espacio y tienes que volver a tu nave espacial lanzando un cubo de bolas que llevas contigo. ¿Qué escenario te permitiría lograr tu objetivo más rápido: una masa determinada de bolas de acero o la misma masa hecha del mismo tamaño de bolas de poliestireno (que tendrían un volumen total mucho mayor)? Creo que puedes entender que las bolas de acero harían esta tarea mucho más rápida y fácil.

Answer 5

Lo básico es el tamaño/peso y el mecanismo de producción de elevación. Debido a la flotabilidad, el pez pierde una parte de su propio peso, mientras que un ave tiene que sostener su propio peso.

Un colibrí más pequeño, sin embargo, genera una mayor elevación mediante una mayor frecuencia de aleteo de alas y, por lo tanto, es mucho más rápido que la mayoría de los peces. Una libélula vuela aún más rápido, impulsada por dos pares de alas ligeras sincronizadas.