CFI CFII Mauricio Ureña Durán. Diciembre 2023
En este blog encontrarás
- Información general, fotos y explicaciones de cómo vuelan las aves.
- Similitudes entre aves y aeronaves para lograr el vuelo.
Para comprender este blog, es gran ayuda conocer un poco acerca de aerodinámica básica. Te recomendamos dar un vistaso a los siguientes links si necesitas un repaso de los conceptos básicos:
- Términos aerodinámicos https://live4flight.blogspot.com/2017/11/terminos-aerodinamicos.html
- Aerodinámica - sutentación https://live4flight.blogspot.com/2020/07/aerodinamica-sustentacion.html
- Sustentación y resistencia, L/D MAX https://live4flight.blogspot.com/2018/04/sustentacion-y-resistencia-diagrama-ld.html
- Aerodinámica - efecto de suelo https://live4flight.blogspot.com/2018/03/aerodinamica-efecto-de-suelo-ground.html
Historia del vuelo
Los humanos tenemos muy poco tiempo desde que logramos el vuelo. Los primeros pasos en estudios acerca del vuelo de las aves, y sus aplicaciones para crear aparatos voladores iniciaron a finales del siglo XIX por Otto Lilienthal, quién logró un vuelo en un aparato comandado por un humano. El se basó en parte en sus propios estudios de las aves, así como en los estudios de Horacio Phillips, quién en 1884 ya había comprendido y patentado la aerodinámica de superficies curvas. Los Hermanos Wright en el año 1904 utilizaron toda este nuevo conocimiento para lograr el primer vuelo de una máquina más pesada que el aire, con motores y tripulada por un hombre. Su diseño de alas fijas y rígidas se ha mantenido hasta el día de hoy. Cuánto ha avanzado la aviación en tan pocos años?
Pasamos de aviones de papel y de tela, que llevaban a una o dos personas sobre amplias planicies y bosques, expuestas al viento, el sol y la lluvia; a aeronaves de metal y materiales compuestos, que superan fácilmente la velocidad del sonido, alcanzan los límites de la atmósfera, o pueden trasladar a cientos de personas entre continentes alejados. Creen que hemos alcanzado la máxima habilidad de vuelo? Creen que superamos lo que la naturaleza ha desarrollado a través de miles de años de evolución? Los invito a explorar las siguientes líneas, y saquen sus propias conclusiones!
Plumas de las aves y su función
Al igual que las aeronaves, las aves deben generar sustentación y empuje. El empuje lo logran durante el aleteo hacia abajo. La sustentación la genera el área del ala más cercana al cuerpo, compuesta por las plumas secundarias. La parte del ala que está más cercana al cuerpo, casi no se mueve durante el aleteo. Esto le da la función de una superficie aerodinámica fija (al igual que las alas de un avión), y así la sustentación no deja de existir entre fases del aleteo del ave.
Figura: plumas de vuelo. Dvooak R. |
Diagrama de la sustentación aplicada al ala de un ave. Hugues Beaufre`re, A Review of Biomechanic and Aerodynamic Considerations of the avian thoracic limb. |
Las plumas primarias son las más grandes y largas, y están conectadas a los dedos del ave. Una característica interesante, es que el ave puede rotar cada una de estas plumas de manera individual. Las plumas se colocan juntas y son la principal fuente de empuje durante el aleteo hacia abajo. Diferentes estudios demuestran que la envergadura del ave cambia activamente con el aleteo, sindo de un tamaño máximo a la mitad del aleteo hacia abajo, y de un tamaño mínimo a la mitad del aleteo hacia arriba.
Cuando el ala se mueve con el aleteo hacia arriba, para evitar la resistencia del aire al movimiento del ala hacia arriba, el ave tiene la capacidad de rotar de manera individual cada una de las plumas primarias, de manera que puedan colocarse de forma paralela al viento y así evitan la resistencia al aire lo más posible. Estas plumas también se pueden separar unas de las otras como si fueran dedos, especialmente en las grandes aves planeadoras como los buitres y cóndores. Esto ayuda a disminuir la creación de vórtices de punta de ala y la resistencia inducida. En otras palabras, las aves también tienen estructuras que funcionan como "winglets".
Con respecto a aves marinas, como las gaviotas, las alas son diferentes. Sus alas son más largas y angostas, sus plumas primarias no se separan, y la punta del ala es muy aguda. Esta forma es otra solución de la naturaleza que también ayuda a disminuir al resistencia inducida. Comparadas a las alas de aves terrestres, producen sustentación y empuje en manera similar, pero la diferencia es que la capacidad de separar las plumas primarias, le brinda a las aves terrestres la posibilidad de tener alas más cortas y gruesas, más livianas, y además con mayor maniobrabilidad, al tener mayor movimiento angular de alabeo y guiñada.
Las aves marinas vuelan en general a una velocidad mayor que las aves terrestres, y tener alas delgadas y puntiagudas favorece no solo a disminuir la resistencia inducida, sino también a disminuir la resistencia parásita. La resistencia parásita sería mucho mayor, si por ejemplo volaran a altas velocidades y con plumas separadas alterando el flujo del aire, como lo hacen las aves que vuelan lento como el cóndor o los buitres.
Las plumas secundarias permanecen juntas durante el vuelo, y no se pueden mover individualmente. Ellas crean la sustentación al formar la superficie aerodinámica. Estas son las encagadas de generar la sustentación en el vuelo sin aleteo.
Las plumas alula, son muy útiles durante el vuelo lento. Ellas están siempre muy juntas al borde de ataque del ala, excepto cuando el ángulo de ataque es muy grande. En ese momento se separan del ala, y permiten que el aire corra entre ellas y el ala, ayudando a evitar la entrada al stall al momento del aterrizaje y en vuelo a bajas velocidades. Puedes pensar en estas plumas como en los slats de los aviones grandes.
La flexibilidad de las plumas y el movimiento de los huesos del ala del ave, sumado a reflejos y tiempos de reacción mucho menores a los de los seres humanos, le permiten a las aves cambiar activamente la superficie alar y la cuerda alar, ayudando a mantener la sustentación y reducir la resistencia. Las demandas del vuelo requieren un control de la sustentación que cambia en fracciones de segundo, esto incluye también reacción a ráfagas de viento, termales, evitar objetos, seguir presas, etc.
Debajo del ala, cerca del borde de ataque hay unas plumas llamadas coverts o cubiertas inferiores. Estas se extienden automáticamente al alcanzar altos ángulos de ataque, aumentando efectivamente el camber del ala. Estas plumas sse consideran como superficies hipersustentadoras, y se pueden comparar a los flaps tipo Krueger.
Krueger Flap. Imagen: Skybrary |
Plumas coverts inferiores extendidas en el borde de ataque. Imagen Dvooak R. |
El despegue y el aterrizaje son de las maniobras que más energía gastan. Algunas aves se impulsan dando brinquitos, o con pequeñas carreras terrestres, y otras tienen que lanzarse al vacío desde las ramas o acantilados. Para el aterrizaje, los pájaros grandes se valen de deslizamientos antes de aterrizar. Justo antes de aterrizar, la cola se extiende para aumentar la superficie de sustentación. Luego la cola se mueve hacia arriba para levantar el ave, y entrar en stall justo antes del aterrizaje. Este proceso es muy similar al usado para aterrizar aeronaves ligeras durante el entrenamiento de piloto.
En el siguiente video de instagram, podemos ver los reflejos de un cuervo para reaccionar a cambios instantáneos en el viento, con tal de mantener su posición. También podemos ver como despliega las alas, y mueve la cola para el despegue y aterrizaje.
La cola del ave logra controlar movimientos de cabeceo y guiñada al mismo tiempo (y esto que la cola del ave no tiene timón de dirección como las aeronaves). Trabaja de manera totalmente idependiente de las alas, sin embargo,estudios de vórtices de ala han demostrado que aunque se mueve de manera independiente, la cola es parte integral de la composición de la sustentación total del ave. En otras palabras, aunque la cola no trabaja junto a las alas, aerodinámicamente si influye en la sustentación de las aves.
En el siguiente post de instagram, puedes ver un video impresionante de un buho, parte de un estudio científico publicado en la revista Experimental Biology. En este video se aprecian los vórtices de ala generados por el vuelo del ave, y además se aprecia como la cola forma parte de la sustentación del ave.
Otro aspecto interesante, es que en los aviones el elevador funciona generando sustentación "hacia abajo" para contrarrestar el movimiento de cabeceo del avión y así lograr mantener el vuelo recto y nivelado. Usualmente en los aviones estables, el centro de gravedad (CG) está ubicado por delante del centro de sustentación de las alas.
Imagen de internet. Observe la sustentación del elevador hacia abajo, en oposición a la sustentación de las alas. Boldmethod.com |
En las aves la sustentación de la cola va en la misma dirección que la sustentación de las alas, hacia arriba. Anque no se ha calculado realmente la ubicación del centro de gravedad de las aves, el hecho de que la cola produzca sustentación hacia arriba sugiere que las aves son muchísimo más inestables que una aeronave. Esta inestabilidad dinámica es controlada por un sistema nervioso altamente desarrollado.
Otra observación muy interesante en las aves, es que algunas veces vuelan con periodos cortos en los que no aletean, sino que más bien cierran las alas y las pegan al cuerpo. Gracias a estudios en estos tipos de aves, se ha determinado que incluso con las alas cerradas, su cuerpo y cola generan sustentación para sostener aproximadamente de 10 a 15 % de su peso.
Aerodinámica básica aplicada a las Aves y a las Aeronaves
La superficie aerodinámica es cualquier superficie que logra obtener una reacción aerodinámica o de sustentación deseable con respecto al flujo de aire. Las aves tienen muchas superficies aerodinámicas, aunque tal vez las más conocidas son las alas y la cola. También el cuerpo del ave puede funcionar como parte fundamental del área aerodinámica, las plumas, los huesos, su cabeza, la forma de su anatomía, todo puede funcionar para realizar el milagro del vuelo.
Las superficies aerodinámicas más conocidas en una aeronave son: las alas, el empenaje, estabilizadores horizontales y verticales, flaps, hélices, alerones, frenos aerodinámicos, turbinas, rotores, etc.
Halcón en vuelo. Imagen tomada de internet. |
Nosotros los humanos, hemos tenido que estudiar e inventar la aerodinámica, y nombrar decenas de partes de máquinas, ingeniería y física, para poder lograr lo que las aves han sabido desde siempre.
El ángulo de ataque
Es el ángulo imaginario formado entre el flujo del aire (viento relativo), y la cuerda aerodinámica de la superficie alar. Conforme aumenta el ángulo de ataque, aumenta la sustentación de la superficie aerodinámica. Sin embargo, no puede aumentar infinitamente, cuando una aeronave alcanza su ángulo de ataque máximo (ángulo de ataque crítico), entra en lo que se conoce como "pérdida o stall". En ese momento el flujo de aire sobre la superficie aerodinámica se torna turbulento, y no logra generar suficiente sustentación para mantener el vuelo.
Angulo de ataque: el ángulo máximo que permite la sustentación se llama ángulo de ataque crítico. Observen la diferencia entre 8 grados y 16 grados de ángulo de ataque. Imagen tomada de CAE Oxford. |
Y surge la pregunta: Conocen las aves acerca del ángulo de ataque? Saben ellas cúando se acercan a su ángulo de ataque crítico? Cómo se verían las plumas de un ave con flujo de aire turbulento? La física no cambia, y las aves están sujetas a las mismas leyes de aerodinámica que las aeronaves. Claro que las aves también tienen su ángulo de ataque máximo, y también entran en stall si lo exceden!
En el caso de las aves, las plumas llamadas cubiertas alula tienen mecanoreceptores. Los mecanoreceptores son estructuras microscópicas que perciben movimientos mecánicos y los convierten en impulsos eléctricos que funcionan como señales que llegan al Sistema Nervioso Central (SNC), donde son interpretadas de una manera ya sea consciente, o refleja e inconsciente. El SNC (Cerebro) identifica la señal de los mecanoreceptores, los cuales están transmitiendo el movimiento de las plumas bajo el efecto del flujo turbulento del aire, advirtiendo la separación del flujo de aire, y que se está cerca de entrar en stall. Estas plumas funcionan como un "stall warning" de la naturaleza, que le avisa al cerebro que se acerca el punto del ángulo de ataque crítico.
Ave con flujo de aire turbulento, noten las plumas levantadas sobre el ala, en dirección perpendicular al eje lateral del ave. Imagen obtenida de internet. |
En una areonave, el stall warning también se mueve con el flujo de aire, moviéndose cuando se acerca al ángulo de ataque crítico. La famosa "corneta de stall" le advierte al piloto que la velocidad del aire es críticamente baja y el ángulo de ataque es críticamente alto.
Stall warning. Cuando el aire presiona la pequeña pestaña de metal hacia arriba, se envía una señal a la "chicharra" de stall. Imagen tomada de internt. |
También podemos ver representaciones pictóricas en las aeronaves más avanzadas con sistemas de pantallas multifuncionales, donde nos advierte que estamos cerca de entrar en pérdida.
La única manera de lograr obtener sustentación de nuevo, es lograr de nuevo flujo de aire ordenado sobre las alas. Para esto debe disminuir el ángulo de ataque y aumentar la velocidad del aire.
Perfil alar
Las aeronaves tienen diferentes objetivos y diseños. Hay unas que son para volar muy lento, otras para volar muy rápido. Unas están diseñadas para levantar mucho peso, otras para mantenerse en vuelo largas horas. La forma del ala influye enormemente en poder alcanzar el objetivo para el cuál está diseñada la aeronave. Aparte de la forma del ala, también existen dispositivos como flaps, slats, frenos aerodinámicos, winglets, y otros dispositivos que cambian efectivamente la forma del ala para operaciones específicas, como el despegue y el aterrizaje.
En la naturaleza funciona igual, y dependiendo de la función del ave, cambia su estructura aerodinámica básica, además de las capacidades del ave de cambiar activamente la forma del ala y el movimiento de sus plumas para lograr el mismo objetivo. Como regla general, las aeronaves que mejor desempeño tienen, tratan de imitar estructuras que existen naturalmente en las aves.
Algunos tipos de alas que podemos encontrar en la naturaleza:
Un estudio que comparó la forma de las alas de buhos y palomas, identificó que las alas de los buhos son mucho más gruesas, lo que les permite volar más lento y de manera muy silenciosa. Las palomas demostraron tener que aletear más veces, lo que les dá mayor velocidad, pero a su vez también produce más ruido. Esto es un ejemplo de cómo la naturaleza aprovecha pequeños cambios en forma y movimiento para brindar ventajas a cada especie de ave. Al ser los buhos aves carnívoras, que deben cazar una presa, la ventaja de volar de manera silenciosa es indiscutiblemente mayor a tener la posibilidad de volar más rápido.
Otro aspecto importante a considerar, es que en las aves la cola forma parte del complejo sistema de generación de sustentación. Su ubicación cercana a las alas, y la capacidad de cambiar su forma y su razón de aspecto, conlleva a mejorar la forma total de la superficie de sustentación del ave. Ayuda a mantener el balance y la estabilidad, y en vuelo lento se extiende en gran medida para ayudar mejorar el flujo del aire sobre el ala, como lo haría un sistema de flaps en una aeronave.
Las aves tienen una gran ventaja al volar, y es que pueden alterar la forma del ala dependiendo de la fase del vuelo. Si están planeando pueden extender las alas para generar más sustentación, pero si están en picada pueden recoger las alas para no generar sustentación ni resistencia al aire. Inmediatamente cambia el área del ala, se afecta la carga aerodinámica, y esto puede ayudar a prevenir la separación del flujo turbulento.
Para intentar comprender un poco mejor el tipo de ala y la influencia que tiene en el tipo de vuelo, tenemos que pensar en factores indispensables en la naturaleza: acceso al alimento, cantidad de energía disponible para gastar en búsqueda de alimento, agilidad necesaria para conseguir alimento, capacidad de desplazarse durante migraciones y apareamiento, etc. A continuación vamos a considerar algunas aves y sus características importantes y particulares con respecto al vuelo.
Cóndor Andino: Es un ave que habita en la cordillera de los andes. Es el ave voladora más grande del mundo. Pesa en promedio 15kg, con una envergadura de más de 3 metros! Es un ave que se alimenta principalmente de carroña, por lo que no tiene que preocuparse demasiado por ser un depredador con mucha agilidad. Sin embargo, debe mantener cierta capacidad para reaccionar rápidamente debido a que vuela entre riscos y acantilados, cubiertos por piedras, arbustos y árboles que debe sortear ágilmente. También tiene que preocuparse por aprovechar la energía al máximo para desplazarse enormes distancias en busca de carroña. De acuerdo a un estudio científico, pueden volar hasta 200km y por más de 5 horas seguidas sin tener que batir sus alas. Pueden sortear diferentes condiciones climáticas y de corrientes termales, batiendo sus alas solo 1% del tiempo!. Un estudio determinó un vuelo de condor que se prolongó por 306 kilómetros. Imaginen el ahorro de energía, eso redefine el término "Low Cost".
Sus alas son grandes y amplias, y cuando están en vuelo las plumas de los extremos de las alas parecen abrirse como dedos. Estas plumas efectivamente trabajan como grandes alerones que le permiten a un ave de semejante tamaño, cambiar su rumbo y reaccionar en un instante si lo llegara a necesitar. Las plumas separadas también permiten que el aire de alta presión debajo del ala, se "derrame" a través de las plumas hacia la parte superior del ala, destruyendo efectivamente los vórtices de ala, y disminuyendo considerablemente la resistencia inducida originada por estos vórtices. Entre menos resitsencia inducida, mejor la relación del diagrama de Sustentación / Resistencia (L/D Max).
Esto significa que el cóndor puede obtener una excelente sustentación, sin la desventaja de resistencia inducida, y además combinarlo con excelentes fuentes de corrientes de aire y termales de su hábitat natural. Todo esto combinado ayuda al vuelo de planeo casi perfecto. Muchas otras aves rapases y de carroña se favorecen de esta técnica de ahorrar energía para mantenerse en el aire por largas horas.
Cóndor en vuelo, observe cómo se extienden las plumas de las puntas de las alas. Observe la posición abierta de la cola. Imagen de internet. |
Gaviota: también son aves de tamaño considerable, con amplias envergaduras que permiten el vuelo en planeo, con poco gasto de energía. La mayor parte de la energía la gastan al momento del despegue y el aterrizaje, cuando tienen que batir las alas para poder alcanzar el vuelo, o frenar lo suficiente para el acuatizaje. Si se comparan las alas de las gaviotas con las de las aves rapaces, podemos observar que son largas y puntiagudas, sin plumas grandes en los bordes.
Estas alas son perfectas para generar bastante sustentación, y eliminar también los vórtices de la punta del ala por medio de su figura puntiaguda. Esto también ayuda a destruir la resistencia inducida generada por la sustentación. Ahora pensemos, cómo es el ambiente donde se desenvuelven las gaviotas?
Las playas, costas, y cuerpos de agua presentan pocas estructuras que puedan poner en riesgo la integridad de la gaviota. Por lo general no hay grandes árboles, ni prominentes rocosos, ni hay necesidad de volar cambiando el rumbo muy a menudo, porque las amplias extensiones de agua permanecen inmóviles y permiten una excelente visibilidad desde lo alto. O sea las aves con alas puntiagudas no necesitan cambiar su rumbo con rapidez, y por lo general no deben reaccionar de manera súbita ante nada. Efectivamente su sistema de "alerones" en la punta de las alas es pequeño, y aunque les permite cambiar de dirección de vuelo, no son tan ágiles como otras aves con otras formas en sus alas.
Paseriformes: Toman sus decisiones migratorias en relación a los vientos prevalentes, y usan rutas migratorias que no necesariamente se asocian a la ruta más corta.
Aves migratorias: las aves migratorias que vuelan en formación "V" lo hacen por un motivo muy interesante. En aviación generalmente se consideran los vórtices de punta de ala como algo negativo, que generan resistencia inducida, y disminuyen el rendimiento. Las aves encontraron cómo aprovechar los vórtices de punta de ala para ahorrar energía y generar sustentación.
Cuando las aves vuelan en formación de "V", los vórtices del ave delantera, se derraman hacia atrás y a los lados del ave, y cuando giran hacia afuera y hacia arriba, ayudan a generar sustentación en las alas de las aves que van formadas atrás.
Aves aprovechando el vórtice de ala para generar sustentación. R. Dvorak, Aerodynamics of flight. |
Vuelo en formación V. Imagen de internet. |
Corrientes termales
Muchas aves aprovechan las corrientes termales para desplazarse sin utilizar un exceso de energía. Las termales son corrientes de aire caliente ascendente, que ocurren debido al calentamiento desigual de los terrenos durante el día. Imaginen que se encuentran en una gran planicie, y parte de esa planicie es bosque, parte son cultivos, y parte son áreas de edificios.
La energía del sol cae en todos los terrenos al mismo tiempo, pero unos se calientan más rápido que otros. Por ejemplo los edificios se calientan mucho más rápido que los cultivos, y estos más rápido que los bosques. Al generarse un calentamiento desigual del suelo, el aire que está al lado de la tierra también se calienta, al calentarse se vuelve menos denso que el aire más frío a su alrededor, y empieza a generar una corriente ascendente.
Las aves son muy inteligentes, y saben que si aprovechan estas corrientes termales, tienen que aletear menos para ganar altitud. Esto significa un importante ahorro de energía. Luego de ganar altitud, alguna de todas las aves empieza a probar pasar por medio de vuelo de planeo, entre una corriente de aire caliente a otra. Si lo logra, otras aves inmediatamente intentan seguir su ejemplo. Esto es un evento muy interesante que podemos observar en aves carroñeras como buítres.
Conclusiones
- Las alas son muy flexibles, gracias a la rotación y movimiento de cada uno de los huesos del ala y al movmiento de las plumas, Esto le permite a las aves reaccionar y adaptarse en cada instante del vuelo, cambiando la forma, área y camber, perfeccionando y sacando el mayor provecho a las circunstancias instantáneas.
- La sustentación y empuje en aves depende de factores como: densidad de aire, velocidad de desplazamiento, forma y tamaño del ala, área de la superficie alar, fuerza del aleteo, aporte de las plumas, tipo de aleteo, ángulo de ataque, flujo de aire.
- La información presentada en este documento es tremendamente simplificada para el entendimiento básico. Aparte de lo explicado aquí, hay especies de aves como el colibri, insectos voladores, y mamíferos voladores (murciélgos y vampiros) que tienen un vuelo muy complejo y su explicación sobrepasa el objetivo de este texto. El estudio y entendimiento del vuelo en estas especies tiene un importante futuro en el desarrollo de drones livianos y pesados, así como nuevos sistemas de vuelo.
Referencias.
- H. J. Williams et al. Physical limits of flight performance in the heaviest soaring bird. Proceedings of the National Academy of sciences of the United States of America.
- R. Dvorak. Aerodynamics of bird flight. EPJ web conferences. Experimental fluid mechanics.
- Types of airplane wings. https://www.aviationfile.com/types-of-airplane-wings/
- 9 types of aircraft wings. https://aerocorner.com/blog/types-of-aircraft-wings/
- Cóndor andino. El arte de volar con el mínimo esfuerzo. https://www.ecoticias.com/eco-america/204237_condor-andino-arte-volar-alturas-minimo-esfuerzo
- Skybrary. Krueger flaps. https://skybrary.aero/articles/krueger-flaps
- Why birds fly in V formation. https://birding-world.com/birds-fly-v-shaped-formation/
- Bret W. Tobalske. Aerodynamics of flight. Current biology Magazine 32. October 2022. Elsevier Inc.
- How does CG affect aircraft performance. https://www.boldmethod.com/learn-to-fly/performance/how-does-cg-affect-aircraft-performance/
- Mohammed Abdulmalek Aldheeb et al. A Review on Aerodynamics of Non-flapping Bird Wings. Journal of aerospace technology and management.
- Hugues Beaufre`re. A Review of Biomechanic and Aerodynamic Considerations f the Avian Thoracic Limb. Journal of avian medicine and surgery. 2009.
- Han Bao et al. The Progress of Aerodynamic Mechanisms Based on Avian Leading-Edge Alula and Future Study Recommendations. Aerospace journal. 2021