¿Por qué los insectos parecen desafiar las leyes de la gravedad? ¿No deberían ser más difíciles de recorrer las moléculas de aire a medida que se hace más pequeño (hasta que pueda moverse entre ellas)?

La diferencia de tamaño entre un insecto y una molécula de aire es prácticamente la misma que para nosotros. Imaginemos un insecto más pequeño, que mide 1 milímetro de largo, o 1 x10 ^ -3 metros, por ejemplo, y compárelo con un niño humano de 1 metro de altura (solo para facilitar las matemáticas).

Una molécula de oxígeno (O2) tiene aproximadamente 1 × 10 ^ -10 metros de ancho. Eso significa que nuestro insecto es 10,000,000 veces más grande, y nosotros somos 10,000,000,000 veces más grande.

Entonces, realmente, es la diferencia entre ser 10 millones de veces más grande que algo y ser 10 mil millones de veces más grande. Realmente no hace mucha diferencia ya que en ambos casos, la otra cosa es invisible, indetectable (con nuestros sentidos normales) pequeña, tanto para humanos como para insectos.

La física que permite a los insectos volar, y no a los dragones, por ejemplo, es la relación potencia / peso. El peso es un producto del volumen, que es un producto del cubo de su tamaño. La fuerza está relacionada con el grosor de los músculos, o cualquier mecanismo que use para impulsarse o batir las alas, y este grosor aumenta como producto del cuadrado del tamaño.

Esto significa que si duplica el tamaño de algo, su peso aumentará en un factor de 8 (2 ^ 3) y su fuerza aumentará en un factor de 4 (2 ^ 2). Esto significa que su relación potencia / peso es la mitad de lo que era antes; en otras palabras, es el doble de difícil de volar. Por el contrario, cuanto más pequeño sea, más fácil será volar.

Entonces, eso aumenta el tamaño en 2, por ejemplo, entre un insecto pequeño y un insecto ligeramente más grande. El insecto más grande necesita poner el doble de esfuerzo para volar, pero eso es bastante factible. Pero, ahora imagina que hiciste el insecto 1000 veces más grande, por lo que era aproximadamente tan grande como un humano (o un automóvil, tal vez).

Su peso aumenta en 1000 ^ 3, que es mil millones. Su potencia aumenta en 1000 ^ 2, que es un millón. Eso significa que su relación potencia / peso es ahora de 1 millón / mil millones = 1/1000 de lo que era antes. En otras palabras, ahora necesita poner 1000 veces más esfuerzo en volar que antes. No puede hacer esto. De hecho, ni siquiera será capaz de ponerse de pie; sus piernas delgadas colapsarán bajo este nuevo peso masivo; también sufren este problema 1000 veces más débil en comparación con el peso.

Es por eso que, cada vez que grandes animales han evolucionado en tierra (elefantes y dinosaurios, por ejemplo), sus patas son increíblemente gruesas. Necesitan la fuerza extra solo para ponerse de pie. Ni siquiera pueden saltar, y mucho menos volar.

La respuesta de John con respecto al volumen / masa / longitud es excelente; Tomaré otra táctica:

En lo que respecta a las moléculas, los insectos y los humanos no son tan diferentes: considere un mosquito, quizás de 1 mm de longitud. Un humano alto mide aproximadamente 2 m. Eso es tres órdenes de magnitud. Ahora compara eso con las moléculas. La mayoría de las moléculas en el aire son alrededor de 2 angstomas (las moléculas de agua son 2.8, etanol 4.4, etc.) … Eso es siete órdenes de magnitud más pequeño que el mosquito.

Es algo así como preguntar: “¿Preferirías tener que levantar un tanque o un portaaviones?” Ambos están mucho más allá de tu capacidad que realmente no importa.

Su intuición es físicamente correcta pero incompleta.

La relación entre las fuerzas de inercia (masa) y las fuerzas de viscosa (fricción del fluido) se caracterizan por un número de Reynolds. El número de animales de Reynolds de forma similar aumenta con el tamaño. Entonces, el número de Reynolds de un insecto es mucho menor que el número de Reynolds de un humano. Esto significa que los efectos de la viscosidad en un insecto son proporcionalmente mucho mayores que los efectos de la viscosidad en un ser humano.

La viscosidad causa pérdida de energía al calor. Entonces, la pérdida por fricción en el poder debido a que el insecto empuja a través del aire es proporcionalmente mucho menor que la de un humano. Sin embargo, la viscosidad hace más que crear calor.

La viscosidad también causa la elevación y empuje debido a las alas. Entonces las alas del insecto están empujando proporcionalmente más fuerte hacia adelante y hacia arriba. Entonces, a pesar de la pérdida de potencia hacia adelante debido al calor, hay una mayor cantidad de potencia que se eleva y empuja.

El insecto, como otros animales pequeños, compensa la pérdida de poder al tener un metabolismo más rápido. Las abejas y las moscas agitan sus alas muy rápido para compensar el arrastre. También comen a un ritmo mucho mayor que los animales más grandes. Las abejas beben néctar a una velocidad increíble en relación con su tamaño. Los colibríes, que tienen un tamaño y estilo de vida similares, beben néctar aproximadamente al mismo ritmo.

Tamaños pequeños de Reynold significan pequeñas cantidades de turbulencia. Un humano que se mueve a la velocidad y la distancia proporcionales de una abeja generaría una cantidad de turbulencia prohitivamente grande. Entonces, la aerodinámica de los insectos implica relativamente menos turbulencia que la aerodinámica de un animal más grande.

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