Plausibilidad de las ballenas flotantes

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.

Primero, consideremos la hipótesis simple: ¿cuánto hidrógeno se necesitaría para simplemente levantar una ballena? Bueno, una ballena azul pesa 200 toneladas, eso es 200.000 kg. Cada metro cúbico de hidrógeno puede levantar aproximadamente 1,1 kg, por lo que para levantar una ballena estamos hablando de 181.000 metros cúbicos de aire. Esto es aproximadamente del mismo tamaño que el Hindenburg o su zepelín clásico, que probablemente piense que es mucho más pequeño de lo que realmente es:

También trae a la mente algunas imágenes mentales realmente divertidas de una ballena volando por el cielo mientras está atada a la parte inferior de un zepelín. Desafortunadamente, esa comparación no es útil porque se supone que la piel del zepelín tiene un peso insignificante, algo que no podemos hacer con la biología.

Entonces, supongamos una ballena 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:

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

dónde$\rho$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.

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

Dónde$t$es el grosor del caparazón. Voy a suponer que tiene 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. los$F_{buoy}$es la fuerza de flotabilidad debida a nuestro gas de elevación, en este caso, hidrógeno. Hay mucho, pero Wikipedia tiene un atajo :$1\ m^3$de hidrógeno puede levantar$\approx 1.1kg$. ¡Enfriar! 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$800\frac{kg}{m^3}$. Conectemos esos números.

$r*1.1 = 800*3 = 2400$

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

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

Evaluación biológica:

Totalmente inviable. Una ballena de 4 kilómetros de largo no es nada 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.

soluciones ficticias

Hay dos formas principales que veo para combatir los problemas anteriores.

Modificar el organismo

Si las características similares a las ballenas de los mamíferos no son una necesidad imperiosa, humildemente presento el sifonóforo para su consideración. Es una criatura marina que en realidad es colonial, compuesta de células individuales que trabajan al unísono. Hay dos grandes ventajas en esto. Uno, claramente son capaces de hacerlo: el buque de guerra portugués es un sifonóforo, y ya tiene un gran flotador que podría modificarse para contener hidrógeno (en un universo ficticio). Además, muchos sifonóforos son bioluminiscentes, lo que sería increíble verlos como una gran criatura flotando sobre nuestras cabezas. Estimo que el tamaño mínimo de estos es de 5 kilómetros de diámetro (el agua pesa más que la piel, pero están bien siendo esféricos), por lo que serían como nubes brillantes. Si eso no es ciencia ficción épica, yo no

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) con 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, especialmente uno que se supone que es una ballena, y bastante manejable en cualquier novela de ficción.

Descargo de responsabilidad completo: soy el OP de esta pregunta, por lo que esta respuesta puede estar sesgada hacia que esto sea posible.

TL; DR: Si hacemos algunas suposiciones optimistas, ¡esto puede ser posible sin siquiera tener que jugar con la densidad atmosférica y/o la gravedad!

He decidido trabajar en una criatura de ejemplo con una masa corporal total (sin la masa del hidrógeno) de$500kg$. Según la excelente respuesta de Dubukay, el hidrógeno tiene una capacidad de elevación de aproximadamente$1.1 kg/m^3$. Esto significa que para levantar nuestra$500kg$bestia, necesitamos sobre$455 m^3$de H2. Suponiendo que este hidrógeno se mantenga en un recipiente esférico (que no es del todo exacto, pero es una aproximación lo suficientemente buena por ahora) y que mis cálculos son correctos, este recipiente necesitará aproximadamente$286 m^2$de cualquier superficie que se utilice para contener el hidrógeno para el exterior de su bolsa de gas.

De acuerdo con este artículo , la carga alar de un murciélago puede ser tan baja como$0.14 g/cm^2$. La carga alar es la masa del murciélago por cm^2 de la superficie del ala, por lo que las alas reales del murciélago serán varias veces más delgadas porque la mayor parte de su masa corporal es su cuerpo real. Por lo tanto, podemos asumir esto como un límite superior para la masa del ala. Nosotros necesitamos$286 m^2$de área de superficie, lo que significa que si usamos la misma piel que los murciélagos para sus alas (probablemente varias capas debido a que es un límite superior, lo que hará que la bolsa de gas sea aún más fuerte), entonces, si mis cálculos son correctos, el exterior la piel de la bolsa de gas pesará un poco más$400 kg$. Esto significa que somos capaces de retener casi$100kg$de peso para cualquier órgano vital necesario, dispositivos de dirección y locomoción como aletas y aletas, y aparatos de generación de hidrógeno.

Por supuesto, esto hace algunas suposiciones optimistas, como asumir una forma perfectamente esférica para el órgano de contención de hidrógeno, pero podemos reducir bastante esos 100 kg restantes de masa elevada antes de que comencemos a tener problemas con la masa necesaria de órganos vitales. por lo que este concepto parece ser al menos algo factible, y la bolsa de gas será varias veces más fuerte que el ala de un murciélago, lo que debería ser suficiente para la mayoría de los propósitos.

Curiosamente, esto también demuestra que si pudieras encontrar una manera de conectar los murciélagos de una manera que impidiera la fuga de hidrógeno, un$400kg$esfera de murciélagos llena de hidrógeno podría levantar fácilmente a un adulto.

Depende del viento.

El tamaño máximo de estas cosas estará determinado por si pueden o no comer cantidades suficientes para mantenerse con vida, y si pueden reproducirse para continuar con la línea de ballenas del cielo. Ambas cosas requieren poder moverse por sus propios medios.

Si el cielo está muy tranquilo (sin viento), entonces esto no es un problema, por lo que tus criaturas pueden crecer mucho. Si hay viento, tus criaturas tienen problemas.

Para empezar: estas ballenas tendrán que tener grandes superficies de vuelo (cola y aletas) para obtener potencia incluso en un día tranquilo. En un día ventoso, estos convertirán a tu ballena en una cometa.

En segundo lugar: las ballenas no serán densas (por su naturaleza), por lo que el viento las lanzará por el cielo como... bueno, un globo.

Esto conduce a un acto de equilibrio entre el tamaño, el control y el viento. En teoría, las ballenas podrían obtener más control con músculos más poderosos para batir sus colas con más frecuencia, pero los músculos más poderosos son más grandes y densos, lo que requiere un mayor volumen de elevación y crea un área más grande para que golpee el viento.

Es posible que las ballenas usen el viento a su favor, usándolo para impulsar su vuelo hacia los enjambres migratorios de skykrill, pero eso solo funcionará si los vientos son predecibles y constantes.

Por ejemplo: eche un vistazo al Festo Air Penguin y pregúntese qué tan bien se manejaría con una brisa suave. Utiliza helio, pero transmite la idea.

Felizmente, sí.

Dubukay identificó correctamente la relación

r = (3 * Densidad de la piel * Grosor de la piel) / Levantamiento específico

para criaturas esféricas flotantes. Sin embargo, usar esta relación con un grosor de piel de 1 m era el problema: los primeros globos aerostáticos estaban hechos de seda y látex, ambos materiales biológicos, y la naturaleza ha encontrado varias formas de crear y mantener membranas de una fuerza impresionante. Las alas de los murciélagos están formadas por dos capas de epidermis de 10 um de espesor.

Por lo tanto, una esfera de ala de murciélago de radio ~ 25 mm llena de hidrógeno se levantaría por sí misma .

Es bastante fácil imaginar una criatura construida a partir de células de gas de 100 mm de diámetro (agregué algo de volumen para darle a la criatura algunos cerebros, etc.) (buena redundancia también), capaz de moverse a través de 'músculos' neumáticos impulsados ​​por gas intercambio y los diferenciales de presión resultantes. El movimiento de tal criatura sería realmente muy majestuoso.

Las celdas le darían una buena resistencia al daño, así como la capacidad (importante desde el punto de vista narrativo) de no parecerse a un dirigible (es decir, completamente convexo) sino a una ballena celeste, con verrugas y todo. Tener la piel exterior rica en algún otro gas, que no reaccione con hidrógeno u oxígeno, también aliviaría los peligros de perforar la piel en presencia de fuentes de ignición (aunque la criatura inteligente levantada por hidrógeno habría aprendido a evitar eso de todos modos). El nitrógeno sería muy fácil de conseguir, aunque tal vez un gas más ligero no sería una carga tan pesada para la criatura.

Puedes obtener criaturas voladoras parecidas a ballenas, pero ya no serían ballenas, y probablemente no existirían en el planeta Tierra.

La solución más obvia es tener un planeta con una atmósfera súper densa y un organismo parecido a una ballena con un cuerpo menos denso que el aire. Por ejemplo, huesos huecos, saco de aire en su cuerpo lleno de gas de baja densidad. Luego podría obtener una criatura que se parece a una ballena voladora y flota, pero no sería como la ballena de hoy en la tierra. Sería (1) más ligero, (2) puede que no necesite contener la respiración, (3) puede preferir una forma de cuerpo diferente, (4) necesitaría comer algo que no sea criaturas marinas, (5) puede que no esté relacionado con especies de ballenas reales ya que sería un caso de evolución convergente, etc. También necesitaría tener un ecosistema coherente en el aire, que pudiera soportarlo.

¿Es factible? Bueno, ¿cuáles son tus limitaciones? Si eres libre de crear teóricamente cualquier mundo que quieras, con cualquier combinación de elementos y propiedades, entonces sí puedes crear un mundo donde las "ballenas" voladoras puedan existir/evolucionar/sobrevivir. Sin embargo, tal planeta podría no ser habitable para los humanos.

La evolución parece descartar la posibilidad. Cualquier cosa lo suficientemente grande y flotante como para mantenerse a flote sería lenta (si es que tiene movilidad propia) y, por lo tanto, vulnerable a los depredadores.

Al comienzo de la Primera Guerra Mundial, los zepelines tenían una ventaja de altura sobre los aviones e inicialmente pudieron bombardear Londres desde una altura segura. Esa ventaja de altura desapareció en 1916, momento en el que los aviones de combate pudieron literalmente volar en círculos alrededor de los zepelines, acribillándolos a balazos hasta que estallaron en llamas. Incluso cuando no estallaron en llamas por las balas incendiarias, el daño de la batalla haría que perdieran fácilmente la flotabilidad y cayeran al suelo (o al mar). Muy pocos zepelines sobrevivieron a la guerra.. En 1917, una misión de combate Zeppelin era prácticamente una misión suicida. Ninguna nación consideró seriamente el uso de aeronaves en un papel de combate directo en la Segunda Guerra Mundial (aunque fueron utilizadas en patrullas antisubmarinas por la Marina de los EE. UU.). Tanto la guerra como la evolución tienen que ver con la supervivencia del más apto, y las aeronaves demostraron ser fenomenalmente inadecuadas.

Es difícil imaginar un mundo en el que las aves rapaces no lleven a las ballenas flotantes a la extinción.

Una vez vi un video en Internet que mostraba a dos seres humanos, un hombre y una mujer, encontrando una criatura marina varada en una playa. Según recuerdo, lo recogieron y lo llevaron al agua.

era una ballena

En concreto se trataba de un cachalote enano (Kogia sima) o un cachalote pigmeo (Kogia breviceps). Dado que sus pesos adultos normales son de 136 a 272 kilogramos (300 a 600 libras) y 400 kilogramos (860 libras) respectivamente, debería haber sido un juvenil que aún no estaba completamente desarrollado.

La especie más pequeña de cetáceos que viven hoy en día es la Vaquita (Phocoena sinus) del Golfo de California, que es mucho más clasificadora que los cachalotes enanos o pigmeos y pesa hasta 120 libras.

Las vaquitas se clasifican como marsopas, pero las marsopas y los delfines son simplemente pequeños miembros de las ballenas dentadas. Se pueden considerar ballenas tanto como las ballenas más grandes.

Estoy seguro de que incluso las ballenas recién nacidas de esas especies pesan más que cualquier animal volador en la Tierra hoy. Sin embargo, es posible que las aves voladoras extintas más grandes pesaran tanto o más que los miembros de las especies de ballenas más pequeñas de la historia, si los delfines y marsopas se cuentan como ballenas.

Actualmente se estima que Quetzalcoatlus , uno de los reptiles voladores extintos más grandes, pesaba alrededor de 220 a 250 kilogramos o alrededor de 440 a 550 libras. Eso está dentro del rango de peso de los cachalotes enanos adultos y cerca del de los cachalotes pigmeos.

Dado que en un planeta con una gravedad superficial significativamente más baja y una atmósfera significativamente más densa que la Tierra, las criaturas voladoras más grandes podrían ser varias veces más masivas que los reptiles voladores más grandes de la Tierra, parece seguro decir que incluso las criaturas voladoras más pesadas que el aire podría pesar más que las ballenas más ligeras de la Tierra. Por supuesto, se parecerían más a los "dáctilos del terror" que se ven en las películas de dinosaurios que a las ballenas.

Discuto el diseño de un planeta así y las limitaciones de hasta dónde se puede llegar sin dejar de ser plausible, en mi respuesta en:

¿Podría una pequeña luna de baja gravedad albergar vida compleja?

Y, por supuesto, en un planeta con una atmósfera mucho más densa que la Tierra, las criaturas hipotéticas parecidas a globos flotantes más grandes podrían ser tan masivas como las grandes ballenas o incluso más. Aunque parecerían más dirigibles o globos aerostáticos que ballenas.

William Kumler estaba en lo correcto. Modifique el entorno a uno con la menor gravedad y la atmósfera más densa que sea consistente con otros elementos de la historia que lo justifiquen lo mejor que pueda. Como regla general, los planetas con menor gravedad superficial tienen menores velocidades de escape y menor capacidad para retener sus atmósferas, pero hay ejemplos de cuerpos planetarios que tienen atmósferas mucho más densas que los cuerpos planetarios con mayor gravedad.

Pero Kumler cometió un gran error en sus cálculos. El tamaño de las muchas especies de ballenas es muy variable. Una vez vi un video de un hombre y una mujer cargando una criatura marina que encontraron varada en una playa, que pensaron que era un delfín pero en realidad era una ballena, un enano (Kogia sima) (c. 550 libras) o pigmeo (Kogia breviceps) (c. 880 libras) cachalote. Y probablemente un bebé ya que los adultos pesarían unos cientos de libras más para que dos personas lo cargaran.

Kumler exageró el peso de las ballenas azules en 200 toneladas. Los pesos típicos de los adultos parecen oscilar entre 50 y 150 toneladas, y muchos adultos no pesan más de 100 toneladas. El peso más pesado registrado fue de 173 toneladas métricas o 190 toneladas cortas. Probablemente ha habido algunas ballenas azules que pesan más de 181 toneladas métricas o 200 toneladas cortas.

Hacer que la criatura sea a prueba de hidrógeno sería un problema. Pero el metano tiene la mitad de sustentación que el hidrógeno.

¿Qué tamaño de bicho necesitas? Si solo necesitan ser del tamaño de una ballena, pero no del tamaño de una ballena, entonces su modelo está mucho más cerca del dirigible de Goodyear que del Hindenburg.

La mayor parte de esta criatura es, en efecto, un pulmón grande: muchas vejigas bastante pequeñas de unas pocas pulgadas de ancho con una piel exterior algo más gruesa.

Tal vez sea una criatura comensal: Múltiples organismos diferentes haciendo una vida juntos. Las algas en la piel actúan para la fotosíntesis. Algunas partes se parecen mucho a las medusas para moverse lentamente bombeando aire. Dale cromatóforos como un pulpo para que cambie de color. De esta forma, puede cambiar de color para calentarse y enfriarse para dar control de altitud.

Si puede arrojar diminutas copias descerebradas de sí mismo, puede usarlas como sondas para encontrar vientos más favorables.

Con inteligencia, necesita comunicarse. Piense en el discurso filosófico a través de vallas publicitarias. Si pueden emitir luz, además de modularla, también pueden hablar de noche.

Además, la luz emitida y las celdas de sonda que tenían reflectores de esquina internos facilitan el seguimiento de las sondas a distancias mucho más largas.

Agregue handwavium: descubra una forma de que la radiación emitida se escalone. Entonces, la criatura actúa como un radar gigante de matriz en fase. Esto permite la comunicación a grandes distancias y el potencial de una mente de colmena con todas las bestias hablando con todos los vecinos que están en la línea de visión.

Dales una criatura primitiva, similar a sus sondas, que también flote. Estos son la parte inferior de la cadena alimenticia.

Póngalos en un planeta con una atmósfera más espesa que la Tierra. Se necesita menos gasolina para flotar. Sin embargo, no lo haga demasiado grueso, ya que muy poca luz llega a la superficie.

Además de quemarse, muchos de los primeros dirigibles fueron víctimas de la intemperie. Ver las cuentas de la Marina de los EE. UU. Shanandoah. Parte de esto fue por problemas de control, pero un objeto grande en la cizalladura del viento está sujeto a grandes fuerzas.

vacío, pero tu ballena sería bastante rígida para contener el vacío, ya que un vacío perfecto tiene un peso de 0 perfecto (sin importar la gravedad, será cero), el único problema con esto es que el hidrógeno se filtra y tú necesitaría quitarlo constantemente, pero no tiene que ser perfecto, y aquí, cuanto más grande es el espacio para la aspiradora, más elevación tiene ya que el área de la superficie está al cuadrado, mientras que el volumen está al cubo, pero terminas encontrando los mismos problemas enumerados anteriormente, principalmente el tamaño