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

La velocidad de cualquier objeto es un equilibrio entre la fuerza de arrastre sobre el objeto y el empuje que el objeto puede crear. Alcanzar altas velocidades, o posiblemente más relevante en este caso, una alta aceleración requiere hacer que el empuje sea lo más alto posible y mantener la resistencia lo más baja posible.

El agua es mucho más densa que el aire, pero esto afecta la resistencia principalmente cuando el flujo es turbulento y la resistencia está dominada por fuerzas de inercia. En este régimen, la resistencia se debe efectivamente a tener que empujar el medio fuera del camino, y es más fácil apartar el aire de baja densidad que el agua de alta densidad. Sin embargo, si puede 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 más densa), pero para los objetos aerodinámicos, la resistencia debido a la viscosidad se puede mantener notablemente baja.

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

Y ahora debería quedar claro por qué es más fácil generar un gran empuje en el agua que en el aire. Debido a que el aire es de baja densidad, no puede empujar una gran masa (a menos que sea muy grande), por lo que es difícil cambiar mucho su impulso.

Así que para resumir:

• en el agua la resistencia es alta pero es fácil generar un empuje alto

• en el aire, la resistencia es baja, pero es difícil generar un gran empuje.

La forma en que se comparan las velocidades en el agua y el aire depende de la compensación exacta entre la resistencia y el empuje. El pez vela puede alcanzar velocidades de 68 mph, pero lo hacen principalmente siendo muy aerodinámicos para que puedan mantener la resistencia lo más baja posible mientras explotan el gran empuje que pueden obtener del agua. Las aves generalmente no alcanzan velocidades tan altas porque, aunque la resistencia al aire es pequeña, simplemente no pueden generar el empuje requerido para velocidades altas. Los halcones peregrinos pueden alcanzar velocidades de 200 mph, mucho más rápido que un pez vela, pero lo hacen solo en inmersiones donde la gravedad proporciona el empuje.

Además de @JohnRennie y @WetSavannaAnimalakaRodVance que intentan responder la pregunta según la misma lógica que mi primer punto a continuación, tengo otros aspectos. De hecho, me di cuenta de que mis otros dos puntos deben ser cruciales, de lo contrario no habría razón para que los peces y las aves actualmente funcionen de manera muy diferente.

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

• Los peces se mueven más como serpientes girando sus cuerpos de lado a lado para que sus músculos sean tan buenos para girar como el gesto requerido es similar. Las aves se mueven hacia adelante batiendo sus alas y girar requiere inclinar sus alas, por lo que necesitarían músculos secundarios para hacerlo. Y así, los peces deben ser anatómicamente superiores a las aves para cambiar de dirección lateral.

• Las aves tienen que usar energía para mantenerse constantemente en la misma altitud mediante el movimiento (batir las 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 densos como el aire que los rodea), lo más probable es que hubieran evolucionado para poder moverse lateralmente con mayor agilidad, al igual que los peces. Editar: algunas aves pueden mantener la altitud con un consumo de energía mínimo al extender sus alas mientras vuelan. Sin embargo, esto no discute mi punto; mientras que las aves planeadoras no pueden hacer movimientos ágiles sin detener su vuelo y perder altitud. Por otra parte, los peces pueden utilizar su vejiga natatoria y, al mismo tiempo, realizar movimientos rápidos.

De tu comentario:

Aquí es agilidad, no velocidad.

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

Las aves y los peces cambian su estado de movimiento al "lanzar" el fluido en el que están sumergidos. Impulsan el fluido, y el fluido los empuja de regreso, según la tercera ley de Newton (ver también la pregunta ¿Qué es lo que realmente permite que los aviones vuelen ?). En el caso de los peces, 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 regresar a tu nave espacial lanzando un balde de pelotas que llevas contigo. Qué escenario le permitiría lograr su objetivo más rápido: una masa dada de bolas de acero o la misma masa hecha de bolas de espuma de poliestireno del mismo tamaño (que tendrían un volumen total mucho mayor)? Creo que puedes entender que las bolas de acero harían esta tarea mucho más rápida y fácil.

¡Es como comparar manzanas y naranjas!

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

Si escala el agua y el aire de acuerdo con su densidad y viscosidad y considera la propulsión y la maniobrabilidad de las aves y los peces, verá que ambos ofrecen las mismas oportunidades para que los animales se muevan con la misma eficiencia a más o menos el mismo nivel.

Si considera que las aves tienen una densidad muy liviana, tienen huesos huecos y pesan mucho menos que un pez del mismo tamaño, se da cuenta de que la naturaleza las ha diseñado para un medio diferente y sus velocidades y aceleraciones deben estar en referencia con ese medio. Si impone a un pájaro las mismas fuerzas que se requieren para maniobrar un pez mientras gira la cola, por ejemplo, ¡el pájaro se lesionará!

Tal como están las cosas, por supuesto, 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.

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

Sin embargo, un colibrí más pequeño genera una mayor sustentación debido a una tasa de aleteo de mayor frecuencia 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 livianas sincronizadas.