Introdução
As águas-vivas que se movem pelos mares pulsando suavemente seus corpos em forma de saco parecem não guardar muitos segredos que interessariam aos engenheiros humanos. Mas, por mais simples que sejam as criaturas, as águas-vivas são magistrais em aproveitar e controlar o fluxo da água ao seu redor, às vezes com eficiência surpreendente. Como tal, eles incorporam soluções sofisticadas para problemas em dinâmica de fluidos com os quais engenheiros, matemáticos e outros profissionais podem aprender. John dabiri, especialista em engenharia mecânica e aeroespacial do Instituto de Tecnologia da Califórnia, conversa com Steven Strogatz neste episódio sobre o que as águas-vivas e outras criaturas aquáticas podem nos ensinar sobre design submarino, posicionamento ideal de turbinas eólicas e corações humanos saudáveis.
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Steve Strogatz (00:03): Sou Steve Strogatz e este é A alegria do porquê, um podcast de Revista Quantaque leva você a algumas das maiores perguntas sem resposta em matemática e ciências hoje.
(00:14) As pessoas dizem que a biologia é uma ótima professora para engenheiros. Pense em tudo o que uma águia voadora pode nos ensinar sobre aerodinâmica. Meu convidado de hoje pensou que uma água-viva seria uma coisa instrutiva para estudar para um estágio de verão em engenharia. E, anos depois, ainda estuda as águas-vivas pela riqueza de informações que elas têm a oferecer sobre a dinâmica dos fluidos, tema deste episódio.
(00:36) O que o movimento das águas-vivas e dos cardumes de peixes pode nos ensinar sobre o movimento do ar, da água e até do sangue? Ao estudar a matemática de como os cardumes de peixes se movem em uníssono, nosso convidado de hoje conseguiu descobrir como colocar turbinas eólicas para gerar energia limpa com mais eficiência. Mas isso não é tudo. Acontece que a forma como uma água-viva nada pode até nos informar sobre a saúde de um coração humano. E as águas-vivas nos ensinaram novos truques sobre propulsão subaquática, que podem ser úteis para uma nova geração de design submarino. Mas vamos deixar nosso convidado John Dabiri nos contar mais. Ele é professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Caltech. Ele ganhou o Prêmio Waterman em 2020, a maior honra do país para cientistas e engenheiros em início de carreira. Ele também é membro do conselho do presidente Biden Conselho de Assessores de Ciência e Tecnologia. Bem-vindo, Professor João Dabiri.
John dabiri (01:31): Obrigado, Steve. É ótimo estar aqui.
Strogatz (01:33): É realmente um grande prazer ter você aqui. Nós nos conhecemos há pouco tempo, mas acho que nunca tivemos a chance de conversar antes, então estou animado com isso. Sabe, tenho que confessar, embora vamos falar muito com você sobre água-viva, nunca segurei uma água-viva, nunca fui picado por uma água-viva.
Dabiri (01:51): Você está perdendo. Eu fiz os dois.
Strogatz (01:55): Como assim? Como foi seu encontro próximo com a água-viva envolvendo picadas?
Dabiri (02:00): Bem, na verdade era uma sessão de fotos que eu estava fazendo para uma revista e o fotógrafo achou que seria bom para mim me aproximar dos meus modelos. E então ele me colocou na água e me disse para segurar a geléia. E enquanto isso, seus tentáculos começaram a pingar por todas as minhas pernas. E então foi uma sessão de fotos muito dolorosa, mas conseguimos a foto.
Strogatz (02:21): Você está fazendo careta na foto?
Dabiri (02:23): Sabe, de alguma forma eles conseguiram fazer parecer que estou sorrindo e gostando de tudo, mesmo que fosse muito infeliz.
Strogatz (02:29): Bem, desculpe, não vamos submetê-lo a nada disso hoje.
Dabiri (02:31): Obrigado, obrigado.
Strogatz (02:33): Então, você sabe, quando eu vejo, nos programas de TV de David Attenborough ou outros programas de natureza, águas-vivas nadando, elas parecem quase uma bolsa, como uma bolsa de celofane meio que sendo empurrada pela água . Mas eu sei que isso não pode estar certo. Eles não são apenas nadadores passivos. Então você pode nos contar um pouco? Como eles se movem? Eles têm músculos?
Dabiri (02:52): Sim, e de fato, as águas-vivas são os primeiros animais que conhecemos capazes de se mover no oceano. Essa natação que você vê nesses documentários é alimentada por uma única camada de células. Pense em uma camada muito fina de músculo que é capaz de se contrair e expandir com um ritmo quase igual ao das batidas do seu coração. E isso permite que eles naveguem pelo oceano.
Strogatz (03:13): Então quando você fala do ritmo, isso me faz pensar, então, eles também devem ter um sistema nervoso controlando os músculos.
Dabiri (03:20): Na verdade, as águas-vivas não têm sistema nervoso central. Eles também não têm cérebro. Tudo o que eles têm são esses pequenos aglomerados de células ao redor do corpo que lhes dizem quando disparar seus músculos, quando contrair. E então eles usam esses músculos para coordenar seus movimentos de natação de uma forma muito diferente de como você e eu nos movemos.
Strogatz (03:39): Uh huh. Então, é… Tem um sino, certo? Eles falam sobre o sino. O que significa sino?
Dabiri (03:42): Isso mesmo. Então, se você olhar para uma água-viva em um aquário, parece um guarda-chuva ou uma bolsa, como você disse. E ao redor da borda inferior desse guarda-chuva, há alguns grupos, geralmente cerca de oito deles. E esses são os lugares onde o corpo envia os sinais para nadar, para contrair o músculo. E assim, ao coordenar esses sinais de contração, eles são capazes de nadar na água com consumo de energia muito baixo no processo.
Strogatz (04:12): Sim, definitivamente não consigo me relacionar com isso quando penso em minha própria natação, que é tão desajeitada e gasta muito - e desperdiça muita energia. Então, o que você está dizendo aqui? Você diz que eles são nadadores muito eficientes? O que você quer dizer?
Dabiri (04:27): Sabemos que as águas-vivas foram alguns dos primeiros animais a nadar há mais de 200 milhões de anos. Eles sobreviveram a eventos de extinção em massa. E assim, por muito tempo, pensou-se que deveria haver algo em sua capacidade de se mover com eficiência que lhes permitisse sobreviver por tanto tempo nos oceanos, sobreviver mesmo diante de nadadores mais exóticos como golfinhos e tubarões, os únicos que você pode pensar quando pensa em um excelente nadador.
(04:53) Bem, acontece que a forma muito simples do corpo dessas gelatinas, o guarda-chuva simples, cria o que chamamos de anéis de vórtice. Pense em um donut de água rodopiante. Então cada vez que o animal contrai seus músculos, ele cria esse donut de água. E quase empurra aquele donut de água rodopiante para se mover pela água sem ter que usar muita energia no processo. Portanto, é um estilo de natação muito diferente do que você ou eu tentaríamos realizar no oceano, mas é bastante eficaz.
Strogatz (05:25): Então, de repente, uma imagem vem à minha mente. Diga-me se estou no caminho errado com isso ou não. Mas quando criança no acampamento de verão, lembro-me de fazer canoagem. E eles queriam que colocássemos nosso remo na água. E me disseram para fazer um golpe J, onde você empurra para trás com o remo e depois o enrola para trás. E você podia ver pequenos redemoinhos, pequenos redemoinhos de água saindo disso.
Dabiri (05:46): Isso mesmo.
Strogatz: Esse golpe, isso é relevante para o que você está falando com vórtices?
Dabiri (05:50): É. Então, por todo o oceano, e de fato, mesmo agora, enquanto estou falando com você, minha boca está empurrando o ar ao meu redor e criando essas correntes rodopiantes que chamamos de vórtices. Então, quando você está nadando, você está criando esses vórtices. Aquele remo de canoa cria esses vórtices rodopiantes. O que há de diferente nas águas-vivas em seus anéis de vórtice é que elas têm uma forma circular quase perfeita. E essa forma circular permite que eles nadem com uma eficiência melhor do que você ou eu somos capazes de gerar acariciando nossos braços ou um remo de canoa. Portanto, é realmente a forma desses vórtices, dessas correntes rodopiantes, que é a chave para sua natação muito eficiente. E foi isso que por muito tempo tentamos entender para desvendar o mistério de como esses animais sobreviveram por tanto tempo no oceano. São realmente esses anéis de vórtice circulares que são a chave.
Strogatz (06:41): Então vamos ver se eu tenho a imagem certa na minha cabeça. Quando você fala em anel de vórtice circular, agora a outra imagem que vem à cabeça é aquela... não... As pessoas não fumam tanto quanto antigamente, mas você sabe onde quero chegar, certo? Tipo, há caras que fumam charutos ou pessoas que sopram anéis de fumaça.
Dabiri (06:57): Exatamente.
Strogatz: Esse é o tipo de círculo que devo imaginar saindo dos lábios arredondados de alguém?
Dabiri (07:02): Com certeza. Quando eu ensinava, esse era o exemplo que eu usava classicamente (mas agora estamos tentando desencorajar fumar ou vaporizar). Mas se você imaginar uma versão não tóxica desse exemplo, você está certo. São aqueles anéis de fumaça que as pessoas soprariam que parecem uma rosquinha de ar e estão girando, e mantêm essa forma circular por longas distâncias da pessoa que os soprou.
(07:23) Talvez outra versão disso seja às vezes você verá golfinhos fazendo isso no oceano, brincando com anéis de bolhas que têm uma forma semelhante a eles. É um donut de água com ar preso no centro. E a maneira como os golfinhos são capazes de manter esses anéis nesse caso é por causa da estabilidade desse tipo particular de corrente giratória. É realmente único em dinâmica de fluidos.
Strogatz (07:47): Tudo bem, tão divertido quanto é falar sobre águas-vivas, e elas são reconhecidamente muito legais e eficientes. Mas para aqueles que estão ouvindo e podem estar se perguntando, por que estamos gastando tanto esforço com eles? Ajude-nos a entender de forma mais ampla. Do que se trata a dinâmica dos fluidos? Onde ela se aplica no resto da ciência ou tecnologia?
Dabiri (08:09): Sim, então a dinâmica dos fluidos está ao nosso redor. Na verdade, para mim, uma das áreas de aplicação realmente empolgantes, crescendo como um aspirante a engenheiro mecânico, era pensar em foguetes e helicópteros mais eficazes - sistemas de propulsão em geral. Agora, sabemos que esse campo da dinâmica dos fluidos, o estudo de como o ar e a água se movem, é muito complicado em termos do movimento que a água ou o ar fazem, em termos de como tentamos descrevê-lo usando a física. E assim surgiu um movimento, agora algumas décadas atrás, para dizer: por que não estudamos alguns sistemas animais que já descobriram, descobriram como nadar ou voar com eficiência? Você pode realmente voltar séculos para Leonardo da Vinci e tentar entender como desenvolver o vôo movido a força humana olhando para os pássaros. Portanto, existe um longo legado de estudo de sistemas naturais para obter inspiração sobre como podemos desenvolver tecnologias mais eficazes. Foi assim que entrei no campo.
(08:29) Acontece que mesmo um animal muito simples como a água-viva tem muito a nos ensinar por causa de como eles interagem com a água de maneira tão elegante. E foi isso que realmente nos levou a estudar as águas-vivas, em particular neste campo mais amplo do que às vezes é chamado de biomimética, ou engenharia bioinspirada. Olhando para a biologia para encontrar soluções para os desafios da engenharia.
(09:08) Mas a água-viva surgiu, na verdade, do meu desejo de criar um projeto conveniente para o verão. Eu estava aqui no Caltech para um projeto de pesquisa de verão e meu orientador aqui disse: “Vamos ao aquário e tentar encontrar um sistema animal para estudar”, da mesma forma que eu tinha em meus anos de faculdade estudando helicópteros e foguetes. Para ser sincero, não fiquei entusiasmado com isso. Na época, pensei que estava vindo para o Caltech para estudar foguetes e propulsão. A Caltech tem o Laboratório de Propulsão a Jato, pelo qual é famosa. Mas chegamos ao aquário e pensei: “Bem, tenho um projeto de 10 semanas aqui. Deixe-me escolher o animal mais simples que puder encontrar. Você sabe, deve ser mais fácil criar um modelo simples para isso. E assim a água-viva parecia uma saída fácil. E, claro, aqui estamos 20 anos depois, e ainda estou tentando descobrir como eles funcionam.
Strogatz (10:17): Devo dizer que, como matemático, sempre fui atraído pela dinâmica dos fluidos porque é muito difícil. Alguns dos problemas matemáticos mais difíceis que enfrentamos na área em que estou interessado, em equações diferenciais, surgiram pela primeira vez em conexão com problemas de dinâmica de fluidos. Então você mencionou - OK, então foguetes, propulsão a jato para - poderíamos pensar em aviões, há aplicações médicas -
Dabiri (10:42): Com certeza. Acabamos de sair da Covid [Covid-19]. Quero dizer, para dar um exemplo bem presente: as questões sobre a transmissão da Covid eram realmente questões de dinâmica de fluidos. Como se formam os aerossóis? Como eles são transmitidos? Como eles são coletados em outras pessoas? Se eu quiser criar uma máscara, qual é a maneira eficaz de fazer isso? Nas alterações climáticas, a modelização do clima da Terra é, em grande parte, um problema de dinâmica de fluidos. A dinâmica dos fluidos aparece em todos os aspectos da nossa vida.
(11:11) O que eu acho realmente empolgante sobre este estudo de sistemas animais é que, da minha perspectiva, se você está construindo um avião, é um humano que se senta em um computador e tenta resolver aquelas equações muito complexas que você descreveu para descobrir qual é a forma ideal da asa, qual é a forma ideal do resto da aeronave. De certa forma, as águas-vivas estão resolvendo equações diferenciais parciais todos os dias enquanto nadam na água.
(11:35) E então nós apenas temos que descobrir exatamente o que é sobre sua natação que permite que eles cheguem a essa solução particular para essas equações diferenciais. E então a esperança é que possamos aplicar isso aos nossos próprios problemas de design, onde não temos as mesmas restrições que as águas-vivas tiveram na evolução. Temos um cérebro, um sistema nervoso central e mais de uma única camada de células musculares para trabalhar. Temos materiais de engenharia com os quais podemos trabalhar. Agora temos IA para trabalhar. Portanto, se combinarmos o que sabemos sobre águas-vivas com todas as ferramentas à nossa disposição como engenheiros, realmente o céu é o limite para o que podemos desenvolver.
Strogatz (12:09): Bem, então vamos entrar na questão de como as águas-vivas estão fazendo isso. Que tipos de experimentos você fez para descobrir como eles estão usando os anéis de vórtice que eles geram quando contraem o sino?
Dabiri (12:21): Portanto, o primeiro desafio a enfrentar é o fato de que a água e o ar são transparentes. Assim, mesmo enquanto estamos sentados conversando uns com os outros, o ar ao nosso redor está em constante movimento devido à nossa respiração. Não podemos realmente perceber isso. A mesma coisa é verdade na água. Se você for a um aquário, para você a atração principal provavelmente são os animais, mas para mim, é a água que os cerca. O problema é que você não pode ver facilmente o movimento da água apenas olhando para o tanque. E então o que fizemos foi desenvolver algumas novas tecnologias para nos ajudar a medir a água que cerca os animais.
(12:53) A primeira coisa que você pode fazer é pensar em colocar corante na água, como um corante alimentar, porque isso vai mostrar como a água está sendo transportada localmente. É uma imagem qualitativa. Dá a você uma espécie de descrição geral, mas não algo em que você possa facilmente colocar números para dizer que a água está se movendo tão rápido nessa direção.
(13:11) Mas o que podemos fazer é usar algumas técnicas que são comuns na engenharia. Usando lasers, por exemplo. Então, na água, existem pequenas partículas suspensas – pense na areia ou lodo que está suspenso na água. Podemos iluminar isso com folhas de laser. Pegue um apontador laser que você possa ter em casa e aponte-o através de um bastão de vidro, e ele espalhará esse feixe em uma fina folha de luz. Então colocamos aquela folha de luz na água. Ele reflete todas as partículas suspensas que estão na água. E agora podemos rastrear cada uma dessas pequenas partículas, quase como uma noite estrelada em movimento. É assim que os vídeos se parecem. E cada uma dessas estrelas, essas partículas de sedimento na água, nos diz algo sobre como a água está se movendo localmente ao redor do animal.
(13:56) Então desenvolvemos essas técnicas em laboratório. O grande desafio então é encontrar águas-vivas no campo e realmente medir isso. Tive a sorte de encontrar alunos dispostos a nadar com águas-vivas e levar lasers com eles.
Strogatz (14:10): Mas então — deixe-me ver isso… Você pode pegar o apontador laser ou qualquer coisa debaixo d'água e não há problema.
Dabiri (14:15): Bem, então isso fazia parte - o aluno, Kakani [Katija] era o nome dela. Seu Ph.D. A tese era desenvolver a tecnologia que nos permitisse fazer isso. Para que um mergulhador pudesse entrar no oceano, aproximar-se com muito cuidado ao lado dessas águas-vivas e então poder ligar o laser e medir a água ao seu redor. E acontece que ela conseguiu ser bastante bem-sucedida ao capturar pela primeira vez as correntes rodopiantes com detalhes realmente requintados.
Strogatz (14:42): E há também alguma configuração de câmera de vídeo?
Dabiri (14:45): Existe. Na verdade, essa tecnologia de imagem é amplamente baseada em vídeo. Então você está recebendo um vídeo dessa água em movimento, as partículas de sedimento refletindo a luz do laser. Observando como o tempo evolui a água ao redor do animal se move, podemos descobrir que, em alguns casos, os animais não estão colocando tanta energia na água para se mover. Chamamos isso de movimento eficiente. Quando eles podem avançar sem ter que agitar muita água ao seu redor.
(15:12) Curiosamente, algumas espécies de águas-vivas raramente nadam, mas quando o fazem, é em um modo de sobrevivência, é para escapar de um predador ou para pegar sua presa. Nesses casos, eles colocarão muita energia na água. Nosso pensamento sobre isso é que é uma questão de sobrevivência. Você não está tão preocupado com a eficiência quando é matar ou ser morto. E então, nesses casos, também podemos ver uma diferença na água ao redor dos animais, tudo capturado por essa técnica de laser.
Strogatz (15:41): OK, talvez toda a minha imagem do saco de celofane esteja tão errada, e eu preciso tirar isso da minha cabeça, mas parece que isso iria encontrar tanta resistência, mesmo que tenha um bom, movimento coordenado. Deve haver algum truque na maneira como esses anéis de vórtice estão se comportando para ajudar o movimento a ser tão eficiente quanto é. Suas medições revelaram algo surpreendente ou complicado que a água-viva está fazendo?
Dabiri (16:05): Sim, é uma ótima pergunta. E há algumas maneiras de pensar sobre isso. Em primeiro lugar, devo voltar e dizer em termos de comportamento da água-viva, uma das diferenças entre o que eles fazem naturalmente e o que podemos pensar em nossos próprios submarinos, as águas-vivas estão usando essas mesmas correntes para se alimentar. Então, conforme eles criam esses anéis de vórtice, essa corrente giratória realmente puxa a presa em direção aos seus tentáculos, onde ela é capturada e comida.
(16:30) Portanto, é muito plausível que, de fato, o movimento que vemos - eles se movendo do ponto A para o ponto B - não seja realmente o resultado desejado. É apenas a consequência inevitável das leis de ação e reação de Newton. Em alguns casos, os animais criam esses anéis de vórtice apenas para atrair as presas. Mas porque eles estão empurrando essa água, a reação é que eles se movem no processo. E assim, para eles, esse movimento eficiente não é necessariamente tentar chegar a algum lugar com pressa.
(16:59) Onde o que conseguimos fazer é dizer: “Vamos pegar a mesma ideia, a formação do anel de vórtice. Nosso submarino não precisa se alimentar da mesma forma que a água-viva”. E assim podemos ir mais rápido, por exemplo, usando a mesma técnica de propulsão, embora os próprios animais reais não o façam. Esta é realmente a distinção entre uma cópia mecânica da biologia, você sabe, voltando aos dias em que as pessoas tentavam alcançar o vôo com força humana batendo as asas com muita força. Eventualmente, obtivemos sucesso usando asas fixas e colocando um motor a jato na coisa. E esse era o truque. Então, aqui, queremos ter cuidado para não simplesmente copiar cegamente o que a água-viva faz, mas perguntar quais aspectos de seu comportamento levam a uma propulsão eficiente. E então, quando queremos projetar um submarino que seja rápido e eficiente, podemos nos desviar do projeto que os animais nos deram.
Strogatz (17:50): Então, com relação ao design de submarinos futuristas, existe algum princípio ou observação que extraímos da água-viva que poderia sugerir algum tipo de novo design maluco?
Dabiri (18:02): Exploramos essa questão. E a chave novamente são esses anéis de vórtice, essas correntes circulares rodopiantes em forma de rosquinha. Se pudermos criar um projeto de submarino que possa criá-los, mas que não exija o movimento muito flexível de uma água-viva natural, descobrimos que isso poderia ser um importante valor agregado aos projetos submarinos atuais. Nós testamos isso no laboratório. Então, o que você pode fazer é pegar um submarino convencional movido a hélice e adicionar um acessório mecânico na parte traseira que, em vez de ter um fluxo de jato contínuo e suave impulsionado na parte traseira, cria um fluxo mais agitado. Então pense em uma pulsação do fluxo atrás do veículo. Conseguimos mostrar que aquele veículo poderia ser 30 ou até 40% mais eficiente energeticamente do que o mesmo tipo de veículo sem aquela pulsação no fluxo.
(18:55) Agora, a parte complicada aqui é criar um design mecânico que não seja excessivamente complexo. Se você tornar essa parte muito complexa, estará substituindo esses componentes. E, de fato, esses próprios componentes mecânicos podem sugar energia do veículo. E, portanto, não conseguimos criar um design que alcance a dinâmica de fluidos inspirada na água-viva sem componentes mecânicos excessivamente complexos. E esse tem sido o mistério não resolvido lá.
Strogatz (19:23): Bem, antes de deixarmos as águas-vivas e sua propulsão para - quero entrar nas turbinas eólicas em um minuto - mas gostaria de falar um pouco mais sobre os anéis de vórtice no reino animal. Porque eu ouvi de alguns dos meus colegas que estudam o vôo de insetos ou vôo de beija-flores ou, você sabe, libélulas, falcões... Há muitas criaturas que fazem uso de vórtices de várias maneiras. Embora todos os exemplos que acabei de mencionar estejam no ar, não na água. Você pode nos contar um pouco sobre as diferenças ou semelhanças entre as criaturas aéreas e - bem, não direi aquáticas. Você sabe o que eu quero dizer? Se estou na água ou no ar.
Dabiri (20:02): Sim, então os aquáticos. Sim, e podemos dar um passo adiante para o sangue. Porque no coração humano, o mesmo tipo de vórtice acaba se formando no seu ventrículo esquerdo, aquele sangue oxigenado ao passar do átrio esquerdo para o ventrículo esquerdo. Isso é antes de passar pelo resto do seu corpo. Há um ponto em que ele passa por uma válvula e você obtém anéis de vórtice que são notavelmente semelhantes ao que uma água-viva cria ou ao que uma lula cria. Então você está absolutamente certo, este loop de vórtice ou motivo de anel, às vezes as estruturas de cadeia mais complexas. Mas em cada um desses diferentes sistemas animais, vemos isso ocorrendo novamente.
(20:26) Portanto, grande parte de nossa pesquisa, na verdade, tem tentado entender se existem alguns princípios subjacentes que podemos aprender sobre o design desses anéis de vórtice. E acontece que existem. Portanto, todos os anéis de vórtice não são criados da mesma forma, no sentido de que existem certos anéis de vórtice que são ótimos para propulsão eficiente, como o exemplo da água-viva de que acabamos de falar. Mas existem diferentes tipos de anéis de vórtice que são criados no caso de - apenas tentando gerar muita força. Se eu apenas quiser me mover muito rápido, por exemplo, a água-viva que quer escapar de um predador cria um anel de vórtice que é diferente dos anéis de vórtice muito eficientes dos quais falamos há pouco.
(21:15) Então, o que pensamos - e isso é talvez algumas décadas atrás agora - é que talvez pudéssemos usar esse insight para entender os anéis de vórtice em um sistema muito diferente, o coração humano. Então, como eu disse, durante o enchimento do ventrículo esquerdo, você obtém esse anel de vórtice que se forma. Acontece que em um paciente saudável versus um paciente que tem certas doenças – uma chamada cardiomiopatia dilatada, um coração dilatado, por exemplo – seus anéis de vórtice parecem muito diferentes dos anéis de vórtice que se formaram em um paciente saudável. O que descobrimos foi uma correlação interessante onde a mudança que vemos entre um paciente saudável e alguns desses pacientes com essas patologias é muito semelhante à diferença entre uma água-viva nadando eficientemente e uma que está escapando de um predador ou tentando pegar sua presa.
(22:05) E assim, um dos principais benefícios de observar essas assinaturas dinâmicas de fluidos de eficiência versus disfunção é que essas mudanças às vezes podem ocorrer antes das mudanças estruturais no coração ou antes de algumas das mudanças sistêmicas em todo o corpo que diriam algo está errado com você. E então vimos isso como uma oportunidade para um diagnóstico mais sensível e precoce ou um sinal de doença e disfunção no corpo humano. Posteriormente, houve outros laboratórios para mostrar que, de fato, essas mudanças no fluxo dentro do coração podem ser um marcador eficaz de doenças em humanos.
Strogatz (22:45): Uau, John, isso é emocionante.
Dabiri (22:47): Sim, uma conexão muito boa e inesperada. Mas Steve, isso remonta ao seu ponto anterior sobre a recorrência desse motivo de anel de vórtice na dinâmica de fluidos - seja ar, água ou sangue, seja natação, organismos voadores ou seja sentado aqui conversando um com o outro com nosso corações bombeando sangue.
Strogatz (23:06): Bem, isso é ótimo. Estou realmente impressionado com este último exemplo médico. Porque, quero dizer, especialmente que poderia ser um sistema de alerta precoce e diagnóstico precoce. Mas eu me pergunto, qual é a tecnologia de imagem que permite, sabe, você não vai colocar sedimento no coração, não é? O que estamos fazendo? É tudo - aparece no ultrassom ou na ressonância magnética? Como você ficaria?
Dabiri (23:26): Exatamente. Sim. Portanto, o trabalho inicial foi feito em ressonância magnética. Mais recentemente, técnicas de ultrassom. Os laboratórios atuais também estão trabalhando na detecção potencialmente acústica, de modo que o fluxo sanguíneo em certos tipos de formação de vórtices tenha um som detectável por, efetivamente, um estetoscópio eletrônico. O objetivo aqui é criar a tecnologia mais simples que permita detectar isso, porque nem todo mundo vai ter uma máquina de ressonância magnética ou ultrassom à sua disposição. Mas você pode imaginar um dispositivo de medição de som de medição acústica de US $ 10 a US $ 20 que você pode comprar no Walmart e ser capaz de detectar esses tipos de alterações e tê-lo em casa.
(24:10) Então esse é o objetivo. Ainda não chegamos lá de jeito nenhum. Mas o que a água-viva fez foi nos dar um alvo inicial para o que procurar, em termos das mudanças no fluxo que ocorreram naqueles pacientes saudáveis versus doentes.
Strogatz (24:24): Bem, tudo bem, então vamos agora sair da água. E comece a falar um pouco sobre alguns dos trabalhos que você fez com seus colegas sobre turbinas eólicas na Califórnia, no Alasca, para ajudar a torná-las mais eficientes. Então, antes de mais nada, se eu disser turbina eólica, a primeira imagem que me vem à mente é uma daquelas hélices gigantes brancas bem altas em algum campo em algum lugar. Essa é a imagem certa ou eu - devo ter uma imagem diferente na minha cabeça?
Dabiri (24:54): Então essas turbinas são um tipo diferente de turbina. Embora nosso trabalho tenha sido amplamente motivado por alguns dos desafios dessas grandes turbinas. O maior desafio é que as turbinas individuais são muito eficientes em termos de quão bem elas são capazes de converter o movimento do vento em eletricidade. O desafio é que a favor do vento de cada uma dessas turbinas, elas criam muito ar agitado ou turbulência. Esse ar agitado reduziria o desempenho de qualquer turbina que estivesse a favor do vento da primeira.
(25:24) E é por isso que se você vir um desses parques eólicos lá fora, as turbinas estão todas muito distantes umas das outras. Porque eles estão tentando garantir que o ar agitado entre as turbinas não reduza o desempenho do grupo.
(25:36) Sempre me pareceu meio irônico que se você olhar para a natureza, pensar em cardumes de peixes no oceano, eles estão batendo suas caudas, eles estão criando seus próprios rastros, como os chamamos. Então, esse ar agitado atrás da turbina eólica chamamos de rastro. Os peixes também criam essas esteiras. Eles nadam em grupos e não se espalham o mais longe possível. Mas, em vez disso, eles coordenam suas posições, um com o outro. Na verdade, eles podem aproveitar o fluxo criado. De modo que o todo é maior que a soma de suas partes. Isso significa que um grupo de peixes pode nadar juntos de forma mais eficiente do que se estivessem separados um do outro. Vemos isso no ciclismo, no Tour de France. Você verá os ciclistas aproveitando a aerodinâmica de seus vizinhos.
(26:17) E então a questão aqui era se poderíamos fazer uma analogia com aqueles cardumes de peixes que funcionariam para instalar turbinas eólicas. Agora, aqui é o lugar onde quase por coincidência - eu dou uma aula na Caltech sobre a dinâmica dos fluidos de nadar e voar. E em minhas palestras sobre cardumes de peixes, escrevo no quadro as equações de como prever essa interação benéfica entre as turbinas eólicas. Uma das principais características desses modelos são esses vórtices sobre os quais falamos até agora. As correntes rodopiantes que os peixes criariam. O modelo matemático para um desses vórtices é quase idêntico a como você representaria as chamadas turbinas eólicas de eixo vertical.
(27:01) Então, vou fazer uma pausa aqui por um segundo e dizer, as turbinas eólicas que você está acostumado a ver, as turbinas tipo hélice, como falamos, são chamadas de turbinas eólicas de eixo horizontal. Porque as lâminas giram em torno de um eixo horizontal. Uma turbina eólica de eixo vertical, as pás giram em torno de um eixo que se projeta verticalmente do solo. Assim como um carrossel, por exemplo, seria um exemplo de um sistema do tipo eixo vertical. Esses sistemas matematicamente podem ser representados de forma quase idêntica aos cardumes de peixes.
(27:31) E então essa foi a conexão, onde eu disse, bem, vamos tentar pensar em projetar parques eólicos que tenham esse tipo de orientação de cardume de peixes para eles. Então, pedi a alguns alunos do laboratório para um de seus projetos que fizessem um resumo de como isso melhoraria o desempenho dos parques eólicos em termos de energia que você poderia produzir em um determinado terreno.
(27:52) Digamos que eu lhe dê, Steve, 10 acres e diga que quero que você gere o máximo de eletricidade possível usando as turbinas eólicas convencionais. Para os do tipo hélice, você provavelmente só poderia instalar uma dessas turbinas naquele terreno. Para essas turbinas eólicas de eixo vertical menores, verifica-se em cálculos de lápis e papel que você pode obter 10 vezes mais energia do mesmo terreno aproveitando esses efeitos.
(28:15) Agora, isso é um cálculo de lápis e papel até que você possa dizer, bem, essa é uma ótima ideia teórica. Mas tivemos a sorte de estar aqui no Caltech, onde fui ao departamento e disse: “Gostaria de comprar um terreno e experimentar isso”. E isso foi na época do crash do mercado de 08-09. E assim você poderia conseguir terras bem baratas. Então, compramos alguns acres de terra aqui na parte norte do condado de LA por, acho, apenas US$ 10,000 ou US$ 15,000. E fizemos um acordo com uma das empresas que constrói essas turbinas eólicas de eixo vertical que nos daria as turbinas de graça em troca dos dados. Porque é muito caro testar, você sabe, uma nova turbina se você for uma startup.
(28:54) E então colocamos um conjunto dessas turbinas naquele campo. Chegamos a cerca de duas dúzias deles, de fato, em nosso local de campo. E fomos capazes de mostrar no mundo real que, de fato, você pode obter 10 vezes mais energia de um terreno usando esse tipo de design inspirado em peixes. Portanto, foi uma descoberta realmente empolgante e que continuamos a perseguir até hoje.
Strogatz (29:14): Muito, muito, muito emocionante. Eu nunca tinha ouvido falar sobre isso. Quer dizer, eu tinha uma vaga noção de que você trabalhou na colocação de turbinas eólicas inspiradas em cardumes de peixes, mas só de ouvir você contar a história e na compra do terreno, quero dizer, não sei. É apenas um aparte pessoal: então, sou um matemático que nunca compra terras para testar minhas ideias. Eu estou me perguntando se quando as pessoas pensam nas críticas normais das grandes e altas turbinas eólicas, você sabe. Isso é mais atraente, você acha, esteticamente ou menos atraente? Eu imagino que parece que eles não precisam ser tão altos ou bloquear a visão das pessoas.
Dabiri (30:00): Exatamente. Na verdade, nós estudamos isso cientificamente enquanto eu estava na Universidade de Stanford trabalhando com Bruce Cain, um cientista social. Pudemos estudar na Califórnia as atitudes em relação a esses diferentes tipos de turbinas. E você está exatamente certo. É o menor impacto visual como uma característica importante.
(30:17) Mas um que é ainda mais significativo é o impacto potencialmente menor em pássaros e morcegos, que é, para as grandes turbinas, um desafio contínuo, o potencial de pássaros colidirem com as pás, ou morcegos e outras áreas. Essas turbinas eólicas de eixo vertical são mais baixas, como você disse no solo, mas também têm uma assinatura visual diferente. Portanto, francamente, nos casos de turbinas grandes, um pássaro simplesmente não pode ver a lâmina antes que seja tarde demais. No caso dessas turbinas eólicas de eixo vertical, a assinatura visual é muito mais aparente, porque as pás se movem mais lentamente do que nas grandes turbinas.
(30:54) Agora, a razão pela qual você não os vê em todos os lugares agora, dado o que acabei de lhe dizer, é que ainda há trabalho a ser feito para melhorar sua confiabilidade, o que, de certa forma, gosto de dizer que é não ciência de foguetes, você sabe, temos pessoas aqui no campus colocando rovers em Marte. Claramente, deveríamos ser capazes de projetar uma turbina eólica que pudesse durar o inverno do Alasca, por exemplo. Mas ainda não chegamos lá, simplesmente não houve muito investimento nesses novos tipos de tecnologias, porque é muito caro desenvolver um novo hardware de energia. Portanto, é um trabalho em andamento.
Strogatz (31:25): Você mencionou que algumas das ideias vieram da matemática. Assim, havia matemática associada a cardumes que depois poderiam ser adaptados ao caso das turbinas eólicas.
Dabiri (31:36): Isso mesmo.
Strogatz: Estou tentando imaginar essa matemática. Você pode dizer um pouco mais? Qual é a matemática que entra nisso?
Dabiri (31:42): Sim, claro. Então, o que tentamos imaginar quando pensamos em um vórtice, por exemplo, é uma descrição matemática simples de como um vórtice afeta o fluxo circundante. E então temos em nosso campo algo chamado teoria do fluxo potencial. É uma representação simplificada desses fluxos de fluidos mais complexos que descrevemos. O benefício é que em um pedaço de papel, posso escrever uma equação que diz, se eu tiver um vórtice em um determinado local, eis o que todo o ar ou água ao redor desse vórtice fará. Podemos escrever isso em uma única linha de matemática.
(32:19) Portanto, o benefício dessa teoria do fluxo potencial é que, se eu, digamos, tiver um vórtice à minha esquerda e um vórtice à minha direita, posso calcular imediatamente como eles afetam um ao outro apenas adicionando esses dois efeitos. Chamamos isso de superposição linear, mas estamos apenas adicionando esses dois efeitos um sobre o outro.
(32:38) O que isso significa quando estudo cardumes de peixes é que posso escrever uma equação uma vez e, se quiser saber os efeitos de 20 peixes, posso efetivamente multiplicar a resposta por 20, mais ou menos, sem ter que fazer um monte de cálculos mais complicados. No caso dos aerogeradores, para projetar um parque eólico ótimo, uma vez que tenho a representação matemática de um desses aerogeradores, posso otimizar um parque inteiro de 1,000 ou se quisesse 10,000 aerogeradores, sem ter que desenvolver qualquer nova matemática, realmente. Portanto, é uma maneira muito conveniente de representar esses sistemas.
(33:13) Acontece que essa representação matemática fundamental de um vórtice que um peixe lança é quase idêntica - com uma diferença de pré-fator - às representações matemáticas dessas turbinas eólicas de eixo vertical. E assim, a conveniência de mapear um a um o problema do cardume de peixes para o problema da turbina eólica nos permitiu emprestar muito da mesma otimização matemática que foi feita para chegar a configurações ideais de cardumes de peixes e usá-la quase diretamente para otimizar o fazendas de vento.
(33:45) A única diferença é o objetivo. No cardume de peixes, pode-se dizer, a otimização está tentando minimizar o arrasto que esse grupo de peixes sofrerá ao se mover pela água ou minimizar a energia gasta por todos esses peixes enquanto nadam. No caso do parque eólico, meu objetivo pode ser: “deixe-me maximizar a quantidade de energia que estou coletando do vento” ou “deixe-me tentar projetar este sistema para que, para o vento vindo de direções específicas, eu obtenha vento máximo dependendo da topografia local que tenho no trabalho.” Portanto, a maquinaria matemática subjacente é a mesma. Os objetivos para os quais otimizamos podem ser diferentes.
Strogatz (34:25): Eu só tenho que pensar que qualquer um que ouvir isso ficará impressionado como eu com o tipo de mente necessária para fazer o trabalho que você está fazendo. A amplitude de interesse que você mostra, você sabe, movendo-se livremente entre a engenharia de parques eólicos, os aspectos médicos dos vórtices no coração, a matemática necessária para entendê-lo. Provavelmente você ainda nem mencionou a ciência da computação, mas acho que isso entraria.
Dabiri (34:50): Com certeza. É muito divertido. Sim.
Strogatz: Boa atitude.
Dabiri (34:55): Não, é. Eu diria apenas que muitas vezes, eu acho, estudantes - aqueles no ensino médio ou na faculdade - você tem a impressão de que na vida você tem que escolher uma coisa. Vou estudar biologia, ou vou estudar química, vou estudar física. E é isso. Na realidade, algumas das pesquisas mais interessantes estão realmente na interseção desses diferentes campos. E, portanto, não quer dizer que foi um caminho fácil para se sentir confortável com esses diferentes campos. Aqui na Caltech, em meu primeiro ano como aluno de pós-graduação, fiz um curso de biologia com Francisco Arnold, o vencedor do Prêmio Nobel. Digamos que fiz o curso duas vezes porque não funcionou na primeira vez para mim. Ao mesmo tempo, acho que vale a pena lutar para aprender esses diferentes campos porque você pode ver os problemas, eu acho, de novas perspectivas dessa maneira.
Strogatz (35:45): Isso é muito inspirador. Então, vamos mudar de assunto para algo com o qual você está ocupado atualmente, que é aconselhar o governo Biden sobre turbinas eólicas. Você pode dizer algo sobre o trabalho que está fazendo com o governo?
Dabiri (36:01): Sim, com certeza. Sabe, foi uma honra servir nesta capacidade. E devo dizer que realmente não foi diretamente conectado a nenhum de nossos objetivos de pesquisa em particular. O grupo, no Conselho do Presidente, acho que todos nós estamos amplamente interessados na ciência e seu desenvolvimento neste país. Uma área específica pela qual sou apaixonado é ver que nossa infraestrutura de pesquisa - e com isso quero dizer do ensino médio às faculdades e universidades aos programas de pesquisa de pós-graduação que permitiam que as pessoas seguissem essas linhas de pesquisa menos convencionais, como as que temos tem falado.
(36:39) Então, em retrospectiva, eu realmente aprecio ouvir o tipo de reação positiva que você tem a essas ideias. Posso dizer-lhe que, quando escrevi as propostas pela primeira vez para tentar obter financiamento para este trabalho, elas foram rejeitadas uma após a outra, porque soam um pouco estranhas. Você sabe, a ideia de que qualquer coisa sobre a natação de águas-vivas informaria diagnósticos cardíacos, ou que cardumes de peixes nos diria algo sobre turbinas eólicas. Parece um pouco estranho demais, e eu não tinha exemplos para apontar, para dizer que isso seria necessariamente um sucesso. Portanto, os revisores normalmente teriam a reação inicial: “Bem, e se não funcionar?” Onde eu sempre penso: “Bem, e se funcionar? Quão legal isso seria? O que isso poderia desbloquear?” E, infelizmente, no momento, normalmente não financiamos o trabalho com base em "e se funcionar?" Geralmente é "e se não der certo?" E acho que essa é uma das peças de política que espero que possamos abordar no Conselho Presidencial.
Strogatz (37:40): Bem, então você está na Califórnia. Um grande problema, como todos sabem na Califórnia, são os incêndios florestais. E acho que isso deveria ser algo que uma pessoa interessada em dinâmica de fluidos teria pensado. Você tem algo a relatar sobre isso?
Dabiri (37:55): Isso mesmo. No Conselho de Ciência do presidente Biden, tive o privilégio de co-presidir um grupo que pensa em como podemos usar a ciência e a tecnologia para lidar melhor com os incêndios florestais. Sabemos que nos últimos anos elas têm se tornado mais frequentes e, em alguns casos, mais graves, principalmente aqui na Califórnia. E, no entanto, existem tecnologias que não estamos usando atualmente - por exemplo, comunicação para os bombeiros, IA [inteligência artificial] para ajudar a prever a progressão dos incêndios florestais e até mesmo tecnologias como robótica e drones para ajudar a interferir no caminho do fogo antes do socorristas podem chegar. Nosso trabalho identificou uma série de tecnologias novas e emergentes que acreditamos que podem ajudar a conter os impactos negativos desses incêndios florestais. E, portanto, estamos ansiosos para ação em nível federal, estadual e local sobre essas recomendações.
Strogatz (38:48): E então a dinâmica dos fluidos entra em tudo isso de alguma forma?
Dabiri (38:52): Sim, a dinâmica dos fluidos é de fato um dos fatores mais importantes para a progressão de um incêndio florestal. Pense nos ventos que carregam brasas ardentes e podem ditar se eles acabam ou não atravessando um aceiro. Os ventos podem determinar a velocidade com que um incêndio se move. Então, quando tivemos incêndios florestais realmente catastróficos, em alguns casos foi porque os ventos estavam em alguns casos de 70 ou 80 milhas por hora. Um dos principais desafios para combater esses incêndios florestais é poder usar modelos de dinâmica de fluidos para prever a progressão futura do incêndio. Requer novos tipos de dados sobre o vento perto do solo para complementar os dados aéreos superiores.
(39:31) Mas também o que podemos fazer ao simular diferentes locais é ajudar as comunidades vulneráveis a se prepararem com antecedência para incêndios florestais - saber que, com base em sua topografia e vegetação, e com esses modelos de dinâmica de fluidos, poder dizer a eles quais partes da comunidade provavelmente verá a frente desse incêndio primeiro. Isso pode informar os planos de evacuação, por exemplo.
Strogatz (39:54): Bem, suponho que nenhuma discussão sobre dinâmica de fluidos estaria completa sem mencionar a turbulência. Muitas vezes é chamado de o maior problema não resolvido da física clássica. Você sabe, o que eu gostaria é apenas de um pequeno tutorial - tipo, qual é mesmo o problema da turbulência? O que é que as pessoas gostariam de entender?
Dabiri (40:12): Sim. A maneira simples que às vezes descrevo é que, na dinâmica dos fluidos, temos um conjunto de equações que explicam o movimento dos fluidos de uma maneira que é boa o suficiente para projetar um avião, mas não é boa o suficiente para dizer quando esse avião atingirá a turbulência. . Portanto, nossas equações de dinâmica de fluidos não foram capazes de prever algumas das ocorrências muito comuns que vemos em um fluxo de fluido. Se você pensar na sua torneira em casa e abri-la só um pouquinho, ela terá uma aparência realmente vítrea. Você abre a torneira um pouco mais alto e, espontaneamente, ela se torna muito mais áspera. Você obtém uma transição para um fluxo turbulento. Observamos isso em todos os tipos de experimentos de laboratório e ainda não temos uma explicação teórica clara para quando esse tipo de transição para a turbulência ocorre.
Strogatz (41:01): Tão interessante. Por coincidência, ontem à noite - talvez não seja coincidência, talvez eu meio que inconscientemente estivesse pensando em nossa próxima discussão. Mas aconteceu de eu estar pensando sobre Richard FeynmanA palestra de em suas famosas palestras sobre física - bem ali no Caltech, provavelmente não muito longe de onde você está sentado - onde ele fala sobre o fluxo de água e o mistério duradouro da turbulência. E ele até menciona que em um ventilador, se você olhar para a lâmina de um ventilador, como em seu sótão ou algo assim, você sempre encontrará uma fina camada de poeira - partículas de poeira muito pequenas. O que parece misterioso, aponta Feynman, porque a pá do ventilador se move a uma velocidade tremenda no ar. E ainda não está soprando essas pequenas partículas de poeira. E então eu meio que sinto que este é o lugar que precisamos terminar: que você, eu queria dizer, você é algum tipo de Leonardo da Vinci moderno. Mas agora comecei a pensar que você também é talvez um Richard Feynman moderno.
Dabiri (41:03): Que talvez se um dia eu conseguir resolver esse problema de turbulência, possamos ter esse tipo de ideia. Mas por enquanto, sim, sou apenas um garoto de Toledo que adora água-viva.
Strogatz (42:06): Perfeito. Muito obrigado, John Dabiri, por se juntar a nós hoje.
Dabiri (42:10): Obrigado por me receber.
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Strogatz (42: 40): A alegria do porquê é um podcast de Revista Quanta, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Simons Foundation. As decisões de financiamento da Fundação Simons não têm influência na seleção de tópicos, convidados ou outras decisões editoriais neste podcast ou em Revista Quanta. A alegria do porquêé produzido por Susan Valot e Polly Stryker. Nossos editores são John Rennie e Thomas Lin com o apoio de Matt Carlstrom, Annie Melchor e Zach Savitsky. Nossa música tema foi composta por Richie Johnson. Julian Lin criou o nome do podcast. A arte do episódio é de Peter Greenwood e nosso logotipo é de Jaki King. Agradecimentos especiais a Burt Odom-Reed no Cornell Broadcast Studios. Sou seu anfitrião, Steve Strogatz. Se você tiver quaisquer perguntas ou comentários para nós, envie-nos um e-mail para Obrigado por escutar.
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