Con amenazas de aumento del nivel del mar, marejada ciclónica y otros desastres naturales, los investigadores de la Facultad de Ingeniería e Informática de la Florida Atlantic University están recurriendo a la naturaleza para proteger a los humanos de la naturaleza. Están desarrollando formas innovadoras para proteger las costas y evitar la erosión y la erosióna partir de olas y tormentas que usan materiales bioinspirados que imitan los árboles de mangle que se encuentran a lo largo de las costas, ríos y estuarios en los trópicos y subtropicales. Al crecer a partir de una maraña de raíces que salen del barro, los árboles de mangle protegen naturalmente las costas, protegen los hábitats del ecosistema costero yproporcionan una importante filtración de agua. En muchos casos, estas raíces atrapan los sedimentos que fluyen río abajo y fuera de la tierra, ayudando a estabilizar la costa.
Ciertos sistemas de raíces de manglar incluso tienen la capacidad de disipar la energía de las mareas a través de flujos hidrológicos únicos y desviar la energía del agua en diferentes direcciones reduciendo el riesgo de daños costeros. Sin embargo, hasta la fecha, pocos estudios han examinado la dinámica de los fluidos, como la estructura del flujo yfuerza de arrastre sobre las raíces del mangle.
Para un estudio, publicado en la revista de la American Physical Society Fluidos de revisión física , los investigadores destacaron el mangle rojo Rhizophora mangle de más de 80 especies diferentes de manglares, debido a su sólida red de raíces que pueden soportar condiciones ambientales extremas.El manglar rojo proporcionó a los investigadores un modelo ideal para aplicaciones de costa bioinspiradas.
"Debido a sus fuertes estructuras, los manglares han sobrevivido por más de 8,000 años", dijo Amirkhosro Kazemi, Ph.D., autor principal del estudio y becario postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Oceánica y Mecánica de la FAU, quien fuerecibió una beca de la Fundación Link y está trabajando con Oscar Curet, Ph.D., coautor y profesor asistente en el departamento. "Lo realmente sorprendente de los manglares es que pueden adaptarse a los cambios en el aumento del nivel del mar formando estructuras ascendentesa través de un proceso natural de acumulación de capas de lodo transportadas por las mareas y otras fuentes. Es su sistema de raíces en particular el que contribuye a esta capacidad de recuperación y es lo que nos inspiró a investigar su compleja hidrodinámica ".
Para comprender mejor la resistencia del árbol de mangle y la dinámica de fluidos de sus raíces, Kazemi, Curet y Keith Van de Riet, Ph.D., coautor y profesor asistente en la Universidad de Kansas, modelaron las complejas raíces de manglecomo una red de cilindros circulares llamada parche. Realizaron una serie de experimentos que variaron los parámetros clave, como la escala de longitud y la porosidad o flexibilidad. Utilizaron un túnel de agua y visualización de flujo para determinar cómo es el diámetro de la raíz, su flexibilidad y qué tan porosolos manglares afectan el agua y estudiaron las raíces de los manglares en diferentes condiciones de flujo para cuantificar cómo interactuaría la estructura del flujo con los manglares.
Observaron el efecto de la porosidad y las medidas de espaciado entre las raíces, probaron la fuerza y la velocidad en un túnel de agua, y simultáneamente realizaron la visualización de flujo 2D.
Los investigadores realizaron mediciones directas de la fuerza de arrastre y velocimetría de imagen de partículas de alta resolución para caracterizar la compleja estructura de estela inestable posterior a las matrices del parche, que representa un modelo simplificado de raíz de manglar.
Los resultados del estudio muestran que para las raíces rígidas, la fuerza de arrastre varió linealmente con el diámetro del parche y el espacio entre las raíces. Para las raíces flexibles, los investigadores descubrieron que una disminución en la rigidez aumentaba tanto el arrastre del parche como el déficit de estela detrás del parchede manera similar a aumentar el bloqueo del parche. Han introducido una nueva escala de longitud diámetro efectivo basada en la firma Wake para caracterizar el coeficiente de arrastre ejercido sobre el parche para diferentes porosidades. El diámetro efectivo incorpora la porosidad del parche,disposición y diámetro de la raíz individual en el parche. Los resultados han demostrado que el diámetro efectivo del parche disminuye a medida que aumenta la porosidad, dando lugar al número de Strouhal, utilizado en el análisis dimensional que es un número adimensional que describe los mecanismos de flujo oscilante.
"Con casi 2.400 millones de personas en todo el mundo viviendo a 60 millas de una costa oceánica, esta investigación es extremadamente importante para las costas vulnerables no solo en Florida sino en todo el mundo", dijo Stella Batalama, Ph.D., decana de la Facultad de Ciencias de la FAUIngeniería y ciencias de la computación. "Mejorar nuestra comprensión de la hidrodinámica de las raíces de los manglares ayudará a facilitar la incorporación de estructuras bioinspiradas similares a los manglares que se pueden utilizar para el control de la erosión, la protección costera y la reconstrucción del hábitat".
Aunque muchas áreas bajas tienen protección contra mareas de tormenta, como muros de contención, estas estructuras son caras de construir, causan su propio conjunto de problemas ambientales y obstruyen el paisaje natural. La información de este estudio tiene el potencial de ayudar a los científicos e ingenieros a desarrollarmétodos para diseñar estructuras costeras bioinspiradas resistentes. Las costas naturales son flexibles, económicas y ajustables, y el prototipo que los investigadores han desarrollado es escalable, más pequeño y más simple de usar, además de más rentable. Su modelado sistemático proporciona el marco para diseñar manglares.como estructuras para la protección costera.
"Nuestros hallazgos podrían usarse potencialmente para construir bancos de manglares artificiales para áreas costeras. Por ejemplo, nuestro trabajo experimental podría incluso aplicarse en un flujo de marea uniforme donde el agua fluye constantemente como resultado del aumento del nivel del mar", dijo Kazemi ".Actualmente estamos trabajando en un nuevo modelo que nos permitirá comprender el flujo en un diseño más complejo ".
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Materiales proporcionado por Florida Atlantic University . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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