Y los discípulos, viéndole andar sobre la mar, se turbaron, diciendo: "Es un fantasma"

Desde aquel épico día en que una amiga me comentó que realizó su trabajo de Biofísica sobre el lagarto jesucristo, y contó (no sé si en broma...) que incluyó a modo de introducción el pasaje del Evangelio que da nombre a este post, he tenido curiosidad por investigar la física y la química detrás de semejante proceso.

(Hu y Bush, J. Fluid. Mech. 2010)

Si bien los autores coinciden en que el hombre, sin intervención divina, no puede andar sobre las aguas (aunque siempre podríamos hacer una piscina de maizena), hay pequeños animales, sobre todo artrópodos que sí poseen de forma natural esta cualidad. El concepto de tensión superficial, así como el equilibrio estático, nos aportan las bases físicas para entender cómo esto es posible.

Los artrópodos que caminan sobre las aguas son repelentes del agua gracias a su revestimiento superficial de cera que incrementa el ángulo de contacto más allá de π/2, y la rugosidad superficial que formada por una densa formación de pelos. Estos pelos atrapan bolsas de aire que excluyen la humectación de la pata y mantienen la repulsión de la pata al agua. Ciertos caminantes del agua pueden escalar el menisco estático  del agua, simplemente deformando la superficie libre cuasi-estáticamente, entonces generan fuerzas capilares laterales:

(Hu y Bush, J. Fluid. Mech. 2010)

Finalmente, algunos poseen una forma de propulsión de emergencia: excretando un surfactante (detergente), así generan gradientes de tensión superficiales que les propelen cortas distancias sobre la superficie del agua llamado el método Maragani). 

(Hu y Bush, J. Fluid. Mech. 2010)

El momento de la fuerza se transmite mediante subvórtices por debajo del agua, pero aún en ausencia de estos, los insectos son capaces de propelerse debido a la interacción microescala entre su integumento y la superficie del agua.

(Hu y Bush, J. Fluid. Mech. 2010)

La dinámica de insectos se describe tratando sus piernas como cilindros lisos, así las fuerzas de curvatura se generan como respuesta trampolín de la interfase.

(Hu y Bush, J. Fluid. Mech. 2010)

Subamos de tamaño:

(Hu y Bush, Annu. Rev. J. Fluid. Mech. 2010)

Pequeños lagartos e iguanas corren cortas distancias sobre el agua; sin embargo, solo el lagarto basilisco (o jesucristo) es capaz de caminar sobre el agua desde la infancia hasta la edad adulta. El lagarto basilisco pesa de 2 g de crías hasta más de 500 g de adulto. Dentro de este intervalo son capaces de correr sobre la superficie del agua a velocidades de aproximadamente de 1,6 m/s. Han desarrollado esta capacidad para evitar a los depredadores acuáticos. Los autores la caracterizan en tres fases distintas: golpe, carrera y recuperación. La fase de golpe es por el impacto vertical de la pata en la superficie del agua y la fuerza de reacción vertical asociada. En la fase de carrera, las patas generan una cavidad profunda, contra la que se empujan. La fuerza propulsiva asociada resulta, por lo tanto, de la forma combinada arrastrada, masa añadida, y fuerzas hidrostáticas. 

(Hu y Bush, Annu. Rev. J. Fluid. Mech. 2010)

Los autores también demuestran que un requisito crítico para la propulsión superficial es que el lagarto sea capaz de retraer sus patas antes del colapso de la cavidad de aire; si no, la fuerza resultante será hacia abajo en la pata que arrastra. Mientras que los lagartos pequeños pueden iniciar su andadura sobre el agua sin preparación, otros más grandes necesitan tomar carrerilla.

Se conoce la dependencia entre la anatomía del lagarto y la alometría cinética. Los lagartos 2-g podían generar más del doble de la fuerza requerida para soportar su peso, mientras que lagartos de 200-g podían escasamente soportar su peso. El modelo Glasheen-McMahon está basado en series de experimentos acompañados de impactos verticales de discos sobre la superficie libre. Hsieh (2003) hace notar que la topología del golpe es significativamente más compleja y nos da una teoría cinemática y detallada de los mismos. Este estudio se hizo por Hsieh y Lauder (2004) que elucidaron la forma de los flujos generados por el golpe a través de la velocimetría de imagen de partículas tridimensional. Su estudio demostró que el soporte de peso sustancial es generado durante las fases de palmada y golpe, mientras que el principal empuje hacia adelante es generado durante la fase de golpe. La visualización de flujo demuestra que el lagarto transfiere el momento al fluido de abajo en la forma de anillos vórtex que se trasladan hacia atrás y hacia abajo.

Y ahora un vídeo del protagonista de esta entrada, el famoso lagarto basilisco

Referencias

HU, D., & BUSH, J. (2010). The hydrodynamics of water-walking arthropods Journal of Fluid Mechanics, 644 DOI: 10.1017/S0022112009992205

Bush, J.W.M. y Hu D.L., Bush, J., & Hu, D. (2006). WALKING ON WATER: Biolocomotion at the Interface Annual Review of Fluid Mechanics, 38 (1), 339-369 DOI: 10.1146/annurev.fluid.38.050304.092157