¿Qué tan viable es una criatura que flota en el aire como un globo aerostático viviente?

Como han dicho otros, el mejor gas de elevación para este propósito es el gas de hidrógeno, ya que se puede producir biológicamente y ofrece la mayor cantidad de flotabilidad.

Pero su forma de vida sería una cosa muy frágil, el saco de piel que contiene el gas tendría un espesor milimétrico en el mejor de los casos (consulte las siguientes matemáticas) y podría romperse con casi cualquier cosa.

Sin embargo, no estoy de acuerdo con la afirmación de Dubukay de que un animal como este tendría que tener kilómetros de largo. Veamos las matemáticas con una piel de 1 mm de grosor y 1 g/cm^3 de densidad

Volumen de un saco de aire esférico de 1 metro de diámetro:$V = (0.5 \ m)^3 \times\pi \times 4/3 = 0.52 \ m^3$. Completamente lleno de gas Hidrógeno, puede levantar medio kilogramo (redondeando por conveniencia decimos que el Hidrógeno proporciona$1 \ kg/m^3$ascensor ). Aquí es donde nos encontramos con problemas. El peso de la piel es de aproximadamente$(0.5 \ m)^2 \times \pi \times 4 \times 1 \ mm \times 1 \ g/cm^3 = 3.14 \ kg$! No dados.

Volumen de un saco de aire de 5 metros de diámetro. un ascensor de$(2.5 \ m)^3\times\pi\times4/3\times1 \ kg/m^3 = 65 \ kg$, mientras que la piel se amasa en$(2.5 \ m)^2 \times\pi\times 4 \times 1 \ mm \times 1 \ g/cm^3 = 79 \ kg$. Nos estamos acercando y la ley del cubo cuadrado claramente está trabajando a nuestro favor.

Un saco de aire de 10 metros de diámetro nos dará más de 550 kg de elevación , mientras que la piel (todavía de 1 milímetro de grosor) utiliza alrededor de 320 kg . Esto deja unos respetables 220 kg o 480 libras de masa utilizable.

Entonces sí, el animal será grande, pero no imposible. Todavía quedan algunos problemas, pero nada que no se pueda resolver. Por un lado, el animal no puede volar desde el nacimiento, porque necesitará unos cientos de kilogramos de piel suelta para su globo. Soportar este exceso de peso es muy problemático para un animal terrestre.

Propongo un ciclo de vida dividido en dos partes: la criatura nace en lagos, ríos u océanos y crece hasta que puede sostener suficiente piel para una bolsa de aire que le permita volar. Se eleva a la superficie y comienza a llenar los sacos de aire con hidrógeno derivado del agua de mar circundante. Obviamente, es muy vulnerable durante este período, aunque esto puede aliviarse viviendo en cuerpos de agua sin grandes depredadores o explotando en grandes colonias.

Se eleva suavemente del agua una vez que ha acumulado suficiente gas de hidrógeno y se aleja flotando. Es probable que permanezca fuera del agua durante toda su vida; si su bolsa de aire se revienta, caerá suavemente al agua debajo y sanará la piel dañada, pero puede buscar alimento tierra adentro sobre los ríos. El apareamiento ocurre en el aire y las hembras arrojan una gran cantidad de huevos sobre cuerpos de agua prometedores. La comida se puede capturar con tentáculos, como han sugerido otros usuarios. El gas hidrógeno se filtrará rápidamente a través de la fina piel, por lo que se repone constantemente.

Probablemente sea poco probable que un animal como este evolucione naturalmente, pero no creo que sea físicamente imposible.

Se parece mucho a la gente fanática de la historia actual de Schlock Mercenary .

Usan hidrógeno porque se puede generar a partir del agua mediante el uso de una corriente eléctrica simple que se puede generar biológicamente. La altitud se ajusta comprimiendo ligeramente el cuerpo para disminuir el volumen pero no la masa y viceversa

Por supuesto que les da mucho miedo al fuego....

La temperatura corporal no es un buen método para controlar la altitud, ya que responde lentamente y requiere una fuente continua de combustible para mantener el calor.

Si tratas a tus criaturas como una medusa carabela, serían los depredadores y las aves, la presa. Podrían descender por encima de la altura de los árboles y atrapar pájaros o, de noche, los pájaros y los murciélagos vuelan hacia sus tentáculos.

Comer carroña no es muy probable. Carrion estará en el suelo y, a menos que se abran llanuras, el viento sería muy peligroso para un globo viviente.

El mayor riesgo son las tormentas y los fuertes vientos. Tus criaturas tendrían que elevarse por encima de las tormentas o desinflarse por completo y cabalgar sobre el suelo. No quieres ser un globo de hidrógeno en una tormenta eléctrica.

Su animal puede usar cavidades corporales llenas de hidrógeno para proporcionar flotabilidad.

El hidrógeno se puede obtener mediante la ruptura catalítica del metano. El metano, por otro lado, se produce en grandes cantidades en las entrañas de criaturas que se alimentan de vegetación (pregunte información a las vacas) como la suya.

Al ventilar/contraer/relajar las bolsas, la criatura puede controlar la flotabilidad y, por lo tanto, el nivel de vuelo.

Supongamos que tu criatura es del tamaño de un halcón peregrino y pesa 1600 gramos. La fuerza de flotación se puede calcular como$F_b = g(d_a - d_h)$. Colocando los números correctos en la fórmula se obtiene que con 1,5 metros cúbicos de hidrógeno se pueden levantar 1600 gramos.

Eso significaría una burbuja de unos 5 metros de diámetro. No es exactamente un animal de buen aspecto, pero encaja en tu descripción:

Su apariencia es la de una gran gota.

La única advertencia: manténgase alejado de las luces y las anguilas eléctricas.

Tristemente no. Tl; dr: el tamaño mínimo de tal criatura está en la escala de kilómetros y, por lo tanto, es bastante inviable. En su lugar, intente convertir a la criatura en una especie de organismo colonial e impulsar su planeta.

Supongamos una criatura esférica.

Lo que estamos tratando de averiguar aquí es el tamaño mínimo de una bolsa de gas biológica. Modelamos eso como una esfera de$H_2$gas rodeado por una delgada capa de piel.

Cuidado, física abajo

Nuestra ecuación inicial comienza bastante simple:

$V_{hyd}*F_{buoy} = M_{skin\ shell} = V_{shell}*\rho_{shell}$

donde$\rho$es la densidad de nuestra capa.

Esto luego se expande para darnos algunas fórmulas reales. Estamos tratando de resolver el radio de esta bolsa de gas biológica, por lo que esperamos terminar con$r$solo en un lado conjunto igual a un montón de números.

$\frac{4}{3}\pi r^3*F_{buoy} = 4\pi r^2t*\rho_{shell}$

Donde$t$es el grosor del caparazón. Voy a suponer que termina siendo de 1 metro de grosor. Suena aproximadamente correcto para mí. Podemos simplificar un poco con esa información y algo de álgebra rápida:

$r^3 * F_{buoy} = 3r^2*\rho_{shell}$

¡Lo que inmediatamente se simplifica a exactamente lo que esperábamos!

$r * F_{buoy} = 3*\rho_{shell}$

Tratemos con esas otras dos variables. Él$F_{buoy}$es la fuerza de flotabilidad debida a nuestro gas elevador, en este caso hidrógeno. Hay mucho, pero Wikipedia tiene un atajo :$1\ m^3$de hidrógeno puede levantar$\approx 1.1kg$. ¡Fresco! También podemos tratar con la otra variable,$\rho_{shell}$. Aquí, una búsqueda rápida en Google nos dice que la densidad de la piel es de aproximadamente$800\frac{kg}{m^3}$(puaj). Conectemos esos números.

$r*1.1 = 800*3 = 2400$

Nota: Aquí modifico mis unidades por motivos de simplicidad. Él$F_{buoy}$término es un poco más complejo.

Entonces, nuestro radio mínimo para nuestra bolsa de gas idealizada es$\approx 2200m$, o 2 kilómetros.

También podemos verificar la realidad de nuestra estimación del grosor de la piel de ~ 1 m. Mide unos 2 metros de altura y nuestra piel tiene un grosor de unos 2 mm, así que estoy muy contento con ella. (En realidad, hubo muchas conjeturas erróneas antes de que me concentrara en 1 m, pero no es necesario que sepas nada de eso)

Evaluación biológica:

Totalmente inviable. Una criatura de 4 kilómetros de largo no es plausible, y ese es el mínimo absoluto. Tendrías que agregar cosas además de la piel, y todo eso agrega peso, y cada vez que agregas algo, aumentas el radio mucho más. Con algunos cálculos al dorso del sobre, obtengo un tamaño mínimo de 8 kilómetros; incluyendo agua y masa muscular así como un cuerpo tubular. Sin embargo, lo que realmente hundió esto fue el sistema de circulación. Aunque el volumen se escala como el cubo del radio, la cantidad de líquido necesaria para proporcionar circulación por todo el cuerpo se escala aún más rápido. Triste.

Posible solución: modificar el entorno

Eludí el término de flotabilidad en mi derivación anterior, pero se basa esencialmente en dos cosas: la fuerza de la gravedad y la densidad de la atmósfera. ¡Aquí en Worldbuilding, somos libres de modificar ambos! Lo que queremos es un planeta pequeño (baja gravedad) y una atmósfera densa. Si tenemos una atmósfera como Venus, que es unas 60 veces más densa que la de la Tierra, y un planeta del tamaño de Titán, que tiene una gravedad de aproximadamente 1/8 de la nuestra, podemos obtener una fuerza de flotación mucho mayor. En este planeta, cada metro cúbico de hidrógeno podrá levantar alrededor de 250 kg, un aumento masivo del 1.1 que usamos en la Tierra. ¡ Esto reduce nuestro radio mínimo a solo 10 metros ! Eso es mucho más razonable para un organismo, y bastante manejable en cualquier novela de ficción.

El problema con los globos aerostáticos es que requieren mucha energía para flotar, y esto requeriría un metabolismo improbable. Un globo de aire caliente típico usa un poderoso conjunto de quemadores de propano o equivalentes, lo que significa que una criatura tendría que producir una cantidad similar de calor (y probablemente usaría combustibles de densidad de energía mucho más baja, a menos que quieras postular algo realmente loco como que come carbón. ..)

La alternativa es aún más extraña. Buckminister Fuller especuló que las cúpulas geodésicas, expandidas a tamaños extremos, eventualmente podrían despegar como globos aerostáticos, ya que el aire arrastrado en el interior superaría en masa a la estructura en una cantidad enorme. La masa de la estructura crece con el cuadrado del volumen, mientras que la masa del aire en el interior crece con el cubo.

El siguiente extracto de un artículo publicado en GEODESIC por Robert T. Bowers explica la idea.] ``Al considerar una esfera geodésica, el peso de la esfera es una función de la superficie de la esfera. La cantidad de aire caliente que levanta la esfera es una función del volumen de la esfera. En términos matemáticos, el peso es función del radio al cuadrado, mientras que el volumen es función del radio al cubo. Esto es muy significativo. Incluso cuando el radio de una esfera aumenta, aumentando así el peso de la esfera, la sustentación de la esfera aumenta más. Si imagina una esfera que podría crecer más, a medida que la esfera ganara un poco de peso, ganaría mucha sustentación.

“Buckminster Fuller propuso que a medida que se consideran esferas de gran tamaño, la cantidad de aire encerrado crece enormemente en comparación con el peso de la esfera. De una esfera con un radio de 1320 pies, el peso del aire encerrado es 1000 veces mayor que el peso de la estructura de la esfera. Si ese volumen de aire se calentara solo un grado, ¡la esfera comenzaría a flotar!

http://www.geniusstuff.com/blog/flying-cities-buckminster-fuller/

Sé que suena a ciencia ficción, pero así es como Bucky propuso que funcionaría un Cloud Nine. Una esfera geodésica de media milla (0,8 kilómetros) de diámetro pesaría solo una milésima parte del peso del aire en su interior. Si el aire interno fuera calentado por energía solar o incluso solo por la actividad humana promedio en el interior, solo se necesitaría un cambio de 1 grado Fahrenheit sobre la temperatura externa para hacer que la esfera flote. Dado que el aire interno se volvería más denso cuando se enfriara, Bucky imaginó usar cortinas de polietileno para reducir la velocidad con la que el aire ingresaba a la esfera.

Entonces, una criatura que era esencialmente una esfera hueca de más de un kilómetro de diámetro teóricamente podría convertirse en un globo aerostático con una combinación de calor solar y un proceso metabólico, pero imaginando qué tipo de ciclo de vida se requeriría para alcanzar un tamaño de un kilómetro de diámetro antes de tomar a los cielos es un poco alucinante.

Esto suena similar a la Afrenta en la Excesión de Ian Banks . Se describen como siendo:

Una masa bulbosa de unos dos metros de diámetro, que cuelga de un saco de gas con volantes de uno a cinco metros de diámetro. De la masa central crecen de seis a once tentáculos de diferentes longitudes y grosores, de los cuales al menos cuatro terminan en paletas en forma de hoja.

Sin embargo, no pueden sobrevivir en una atmósfera similar a la de la Tierra.

Los atacantes requieren un entorno de alta presión y baja temperatura, y respiran una atmósfera compuesta principalmente de nitrógeno y metano, además de otros hidrocarburos traza.

Estas criaturas 'caminan' sobre sus extremidades inferiores la mayor parte del tiempo, pero con la mayor parte de su masa sostenida por su propia flotabilidad, o reman perezosamente por el aire a baja altura. Cuando tienen prisa, tienen un respiradero de gas (ano) en la parte inferior de sus cuerpos para propulsarse.