El Movimiento Importa – Pero, ¿cómo vuelan realmente los insectos? – Parte 2

En mi post anterior “El Tamaño Importa – Pero, ¿cómo vuelan realmente los insectos? – Parte 1” hablé de mi charla de Naukas (enlace directo aquí), que trataba acerca de desmentir el mito de que los abejorros no deberían de poder volar.

Lo hice detallando las dos diferencias clave entre un insecto y un avión. La primera diferencia, la escala, la cubrí en detalle en mi post anterior, y en esta segunda y última parte voy a tratar la otra diferencia crucial entre los insectos:

El Movimiento de las Alas

Una diferencia clave entre los aviones y los abejorros es que estos últimos baten las alas. No solo las mueven, sino que también tienen cierto grado de variación en las trayectorias que trazan con las alas, y también pueden variar el ángulo de ataque de las mismas (el ángulo del ala con respecto al flujo).

Esta mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) puede batir las alas unas 200 veces por segundo. Si parpadeas, te perderías el contenido completo del vídeo enlazado. Y si 200Hz te parece poco, hay ciertas especies de mosquitos que aletean hasta 1200 veces por segundo!

La forma en la que los insectos mueven sus alas es precisamente lo que les permite generar sustento. Si analizamos la anatomía de un aleteo, veremos que un batir de alas se compone de dos fases:

MozzieGif

  1. La fase translacional, en el cual el ala se desplaza con un ángulo de ataque constante (en rojo)
  2. La fase rotacional, en el cual el ala rota al comenzar o terminar el aleteo (en azul)

En la mayoría de los casos, sabemos que la mayor parte del sustento de los insectos se genera durante la fase translacional del aleteo.

Entonces, ¿cuál es el secreto codiciado de los insectos? ¿Qué les permite generar ese sustento adicional que no queda explicado por las ecuaciones de sustentación y arrastre?

Pues son los vórtices del borde de ataque

¡Menuda palabrota!

Hagamos un poco de glosario primero:

Las alas de los insectos tienen dos bordes – el de ataque, que es el que atraviesa o ‘ataca’ el aire (leading edge en inglés), y el borde de salida (trailing edge). Queda ilustrado abajo.

Por tanto, los vórtices del borde de ataque (leading edge vortices o LEVs en inglés) son aquellos que se generan en el borde de ataque. Se originan en la base del ala mientras aletea, y se desplazan hasta la punta del ala formando una espiral.

En este vídeo se pueden apreciar algunos de los vórtices formados por una mariposa en vuelo, entre ellas la formación de los vórtices del borde de ataque.

Imagen cortesía de: http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/14/132/20170159

Este vídeo de APS Physics también demuestra cómo se forman los vórtices del borde de ataque. Fíjate en la tinta roja y verde del borde de ataque, y cómo forma una espiral hacia la punta del ala. Esa estructura es el vórtice del borde de ataque.

Esas pequeñas espirales o vórtices son las que consideramos que generan el sustento adicional de los insectos, aunque el mecanismo exacto en el que se efectúa ese sustento adicional se desconoce. Aquí van las dos teorías principales:

  1. El mecanismo más aceptado es que generan una zona de baja presión por encima de la superficie alar, lo cual succiona al ala hacia arriba permitiendo generar mayor sustentación.
  2. La otra teoría sugiere que no forman un área de menor presión, sino que les permite a los insectos incrementar el ángulo de ataque del ala sin que ocurra la entrada en pérdida. ¿Qué? ¡¿Más palabrotas?! No te preocupes, explico más a continuación

El ángulo de ataque es el ángulo que forma el ala con respecto al flujo del aire. Con un ángulo de ataque de 0⁰ se considera que la sustentación es de 0N, ya que el borde del ala separa el flujo sin que se genere ninguna circulación a su alrededor. Al incrementar el ángulo de ataque, se comienza a generar fuerzas circulatorias alrededor del ala, lo cual genera la sustentación. Sin embargo, al aumentar el ángulo de ataque no sólo aumenta la sustentación, sino también el arrastre.

Llegado a un punto, ocurre que el flujo se separa del ala. En el caso de los aviones esto suele ocurrir a ángulos de ataque mayores de ~15⁰, y se produce la llamada entrada en pérdida, donde la sustentación deja de producirse y comienza a caer el avión.

Sin embargo, mientras que los aviones mantienen ángulos de ataque relativamente bajos, en los insectos observamos muy frecuentemente ángulos de ataque del orden de 30 – 45⁰ sin que se produzca la entrada en pérdida, y se hipotetiza que los vórtices del borde de ataque impiden que ocurra la entrada en pérdida en valores mayores del ángulo de ataque, permitiéndoles incrementar su sustentación de este modo.

Aunque el mecanismo exacto de acción se desconozca, lo que sí sabemos es que los vórtices del borde de ataque están presentes en los aleteos de todos los insectos y es un mecanismo que emplean todos para generar sustentación. Sin embargo, se tarda un mínimo de 4-5 aleteos para formar los vórtices del borde de ataque que abarquen la longitud del ala completa, por tanto no son capaces de generar sustentación de manera inmediata. Esto significa que los insectos también deben utilizar otros métodos para generar sustentación también, sobre todo para despegar.

Este vídeo de BBC Earth Unplugged muestra como la mosca doméstica despega ante una amenaza inminente. Si prestas atención, notarás que su forma de mover las alas durante el despegue y los primeros aleteos es diferente a su aleteo normal.

Muchos insectos emplean la fuerza de sus patas traseras para saltar en el aire y aprovechar esos breves instantes en el aire para aletear y generar los vórtices del borde de ataque que les permitan mantener la sustentación.

Muchos también combinan ese salto de despegue con el denominado mecanismo de clap and fling. Al aletear, incrementan la amplitud de su aleteo, haciendo que las puntas de sus alas toquen por encima de su cuerpo, lo cual expulsa la mayoría del aire localizado entre ellos. Al abrir las alas y aletear hacia abajo, generan una zona de baja presión por encima de ellos que les succiona hacia arriba, permitiéndoles generar sustentación.

Este vídeo de Hélène D Moreau muestra como la diminuta mosca Liriomyza sativae es capaz de generar sustentación mediante el mecanismo clap and fling.

Otros insectos emplean tácticas diferentes para maximizar su sustentación. Los mosquitos, por ejemplo, tienen una fase translacional muy corta debido a que su aleteo tiene una amplitud muy baja. Aunque generan vórtices del borde de ataque, también emplean otras técnicas para generar sustentación como el arrastre rotacional, y vórtices del borde de salida.

En este vídeo se detallan las particularidades del vuelo de los mosquitos. Esta investigación fue realizada por el Oxford Flight Group en colaboración con la Royal Veterinary College en Londres, y University of Chiba en Japón.

En resumidas cuentas, nos queda aún bastante por comprender acerca del vuelo de los insectos. Sin embargo, sabemos que el movimiento de las alas es esencial para las técnicas aerodinámicas que emplean, y comprenderlo será clave para diseñar drones de la misma escala que los insectos.

Si te ha gustado o tienes cualquier pregunta, te animo a que dejes un comentario o que me twittees (@InesLauraDawson) para que pueda contestar!


2 Comentarios

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ToniToni

Lo del vuelo de la mosca y/o de las mariposas mediante alas de superficies planas , que no de perfiles alares ; estos funcionan con el ala “cortando” frontalmente el aire creando , una presión sobre el intradós del ala (sobre la superficie inferior) , según el ángulo de ataque entre unos pocos grados (que no excesivos) y por el extradós (cara superior) que es curvo , se genera una más velocidad del paso del aire sobre ese curvatura , con ello baja la presión …a modo de succión como nos han dicho arriba . Con eso estamos de acuerdo…, pero con las alitas planas de moscas y mariposas , claro que harán turbulencias o vórtices moviendo tantas veces las alas por segundo , pero a mi me parece que más que sustentación alar , lo que hacen es utilizar el principió básico de la Física : acción= reacción ; es decir , que si damos un aletazo hacia abajo contra el aire , corresponde una reacción similar hacia arriba , elevadora del insecto , según el nº de aleteos/seg , que sean necesarios . Así de simple , sin que demos importancia a los rebufos , remolinos , vórtices que tales aletazos perturben el aire que fue “aleteado” . Ejemplo de vuelo pájaro con perfil alar : vuelo rápido con aleteos de propulsión.., pero que el ala en todo momento va volando como tal ala con perfil sustentador ; Si con ese pájaro intentamos que vuele en un recinto amplio , pero cerrado , en que no puede desarrollar velocidad de vuelo (sustentación alar) , tendrá que batir las alas mucho más (modo mosca/mariposa) para mantener un vuelo lento casi estacionario ; el gran volador incansable no podrá ahora aguantar y tratará de agarrarse (digo bien , tienen unas uñas fuertes y agudas con mucha fuerza) a las paredes , o caerá fracasado al suelo .

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