I pinguini sparano cacca come proiettili fino a 1,34 metri di distanza: la fisica dietro la traiettoria

I pinguini hanno un metodo molto pratico per mantenere puliti se stessi e il proprio nido: espellono il guano (un mix di feci e urine ricco di ammoniaca) "sparandolo" molto lontano. E alcuni scienziati hanno calcolato traiettoria, velocità e pressione rettale coinvolte, vincendo pure un Premio Ig Nobel. I pinguini trascorrono lunghi periodi a covare le uova senza alzarsi, e nel frattempo devono pur "liberarsi". La soluzione evolutiva è stata sviluppare una pressione rettale elevata, capace di espellere gli escrementi ben distanti dal corpo e dal nido con una traiettoria balistica che raggiunge fino a 1,34 metri. Uno studio del 2020, non era fine a se stesso ma aveva lo scopo pratico di prevedere con precisione la massima distanza raggiungibile per aiutare i guardiani di zoo e acquari a stabilire le giuste distanze di sicurezza, fornendo linee guida utili per evitare sgraditi incidenti durante i turni di lavoro. Visibili anche dallo spazio, i grandi accumuli di queste deiezioni sono stati utili negli anni per individuare colonie sconosciute di pinguini di Adelia (Pygoscelis adeliae) in Antartide con implicazioni sul clima del luogo.

Pressioni estreme: lo studio Ig Nobel

Nel 2003, i biologi Victor Benno Meyer-Rochow (Università di Brema) e Jozsef Gal (Università di Budapest) pubblicarono sulla rivista Polar Biology un articolo dal titolo: "Pressures Produced When Penguins Pooh — Calculations on Avian Defaecation". Fotografando pinguini di Adelia (Pygoscelis adeliae) e pinguini dal sottogola (Pygoscelis antarctica) mentre defecavano, misurarono la distanza percorsa e le proprietà fisiche del guano (densità, viscosità) per risalire alla pressione rettale necessaria a generare quella traiettoria.

Come riportano i dati dello studio, i pinguini adulti generano pressioni tra 10 kPa (77 mmHg) per materiale più liquido e 60 kPa (450 mmHg) per escrementi più viscosi, paragonabili per consistenza all'olio d'oliva. Per dare un termine di paragone: la pressione sistolica del sangue umano è circa 16 kPa. Il lavoro valse ai due ricercatori il Premio Ig Nobel 2005 per la fluidodinamica, il riconoscimento assegnato ogni anno dalla rivista Annals of Improbable Research a ricerche che «prima fanno ridere, poi fanno riflettere».

La traiettoria balistica: lo studio giapponese

Nel 2020, i fisici Hiroyuki Tajima (Università di Kochi) e Fumiya Fujisawa (Acquario di Katsurahama), in Giappone, decisero di riprendere il problema e approfondirlo con gli strumenti della fisica classica. Il loro articolo "Projectile Trajectory of Penguin's Faeces and Rectal Pressure Revisited" è stato pubblicato su arXiv.

I ricercatori hanno applicato le equazioni del moto di Newton per calcolare la traiettoria degli escrementi come un proiettile, tenendo conto dell'altezza di partenza, dell'angolo di espulsione, della resistenza dell'aria e della viscosità del materiale. I soggetti di questo studio sono stati pinguini di una specie diversa rispetto alla precedente ricerca, i pinguini di Humboldt (Spheniscus humboldti), uccelli diffusi principalmente lungo la costa peruviana e Cilena dell'Oceano Pacifico.

Il risultato pratico è stato che il limite massimo della distanza di volo calcolata è di 1,34 metri per un'espulsione dall'altezza di 2 metri con una velocità iniziale di 2,0 m/s.

Gli autori hanno anche ricalcolato la pressione rettale usando il teorema di Bernoulli e l'equazione di Hagen-Poiseuille per la correzione della viscosità, ottenendo valori fino a 28,2 kPa, superiori a quelli stimati dallo studio originale.

I ricercatori di Kochi hanno fatto un analogia con gli esseri umani per rendere l'idea della potenza in questione. Se una persona di 1,70 m di altezza avesse la stessa pressione rettale di un pinguino, il materiale espulso raggiungerebbe una distanza di 3,13 metri. Il che significa che la pressione rettale del pinguino, in proporzione al corpo, è notevolmente superiore a quella umana.

Come concludono gli autori, i risultati possono essere un esempio utile per insegnare la meccanica classica, dimostrando che la fisica fondamentale descrive aspetti interessanti delle cose che ci circondano nella vita quotidiana.

Escrementi dallo spazio, l’inaspettata utilità per gli scienziati

Il guano dei pinguini si è rivelato un inaspettato e prezioso alleato, capace di aiutare a monitorare e persino mitigare gli effetti del cambiamento climatico in Antartide. Poiché questi uccelli sono troppo piccoli per essere individuati singolarmente dallo spazio, i ricercatori utilizzano i satelliti (come i Sentinel-2 dell'ESA o i Landsat della NASA) per localizzare le enormi macchie di escrementi che lasciano sul ghiaccio bianco. Gli escrementi dei pinguini di Adelia, per esempio, spiccano per la loro colorazione tendente al rosa (per via dell'elevato consumo di Krill) e si accumula nelle aree di nidificazione, permettono agli scienziati di calcolare con le dimensioni delle colonie e di valutare in che modo il riscaldamento globale stia alterando la disponibilità delle loro prede. Proprio rintracciando queste estese macchie satellitari, nel 2018, i ricercatori sono riusciti a scoprire in un arcipelago antartico una colonia prima sconosciuta, composta da circa 1,5 milioni di individui.

Un aspetto ancora più sorprendente è il ruolo ecologico di queste deiezioni. Come riporta lo studio Penguin guano is an important source of climate-relevant aerosol particles in Antarctica pubblicato su Nature il guano rilascia ammoniaca che, mescolandosi con i gas solforosi emessi dal fitoplancton, crea dei minuscoli nuclei di condensazione nell'aria. Questa reazione chimica favorisce lo sviluppo di nuvole che a loro volta aiutano a mantenere le temperature dell'ambiente antartico leggermente più basse, fungendo da scudo naturale.

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