El vuelo de los pájaros y nuestros aviones

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El libro del vuelo de las aves se encuentra disponible impreso y en edición electrónica, para localizarlo haga click en el siguiente enlace: libros de Francisco Escartí

Algunas personas creen que los pájaros no nos han enseñado a construir los aviones. Claro que no, los pájaros nunca dicen nada. Otra cosa distinta es si nosotros hemos aprendido a volar observando lo que hacen. También mucha gente cree que, gracias a nuestros conocimientos aerodinámicos y los instrumentos de medida que tenemos en la actualidad, es ahora cuando empezamos a entender cómo vuelan los animales. Es cierto que hoy sabemos de todo mucho más que hace cien años, pero nuestros antepasados aprendieron a descifrar los verdaderos mecanismos que hacían posible el vuelo de los pájaros.

Nadie tiene la menor duda de que los pájaros demostraron al hombre que era posible volar, quizá sin ellos el hombre ni se hubiera planteado esa posibilidad y creo que no es difícil demostrar que también le indicaron el camino de cómo tenía que hacerlo, aunque eso llevó más tiempo. El hombre siempre había visto aletear a los pájaros y ese ejercicio se le antojó que era indispensable para volar. Un grave error.

Fue sir George Cayley quien sacó a los interesados por la navegación aérea de ese error. Se dio cuenta de que, el secreto del vuelo no estaba en el aleteo. Los pájaros planeadores, los que se deslizan suavemente hacia tierra o ascienden aprovechando las térmicas, en círculos, pero sin batir las alas, fueron los que le indicaron cuál era la solución del problema.

Imaginemos a un buitre que ha visto a un par de kilómetros desde su atalaya, cerca de las nubes, un conejo muerto entre los matorrales. El pájaro ajustará sus alas para iniciar un largo descenso hasta el lugar donde está el festín que acaba de descubrir. No tiene demasiada prisa, puede tardar algún tiempo en alcanzar el objetivo que está muerto, y no dará un solo aletazo hasta llegar al suelo. Si observamos su trayectoria, será una línea recta, con un pequeño ángulo de descenso. El animal se mueve hacia adelante con las alas quietas y, para vencer la resistencia al avance, cuenta con un motor que es la fuerza de la gravedad.

¿Cuánta fuerza necesita el buitre para vencer la resistencia al avance en su largo planeo? La pregunta plantea un problema de física elemental. Para que el buitre baje con velocidad constante, la relación entre la fuerza de sustentación de las alas y la fuerza de resistencia al avance es igual a la cotangente del ángulo de planeo. Cayley comprobó que los ángulos de planeo de estos pájaros son pequeños y que esa relación tiene un valor del orden de 10 a 20. Fue un descubrimiento genial porque eso quería decir que la fuerza de resistencia que había que vencer para obtener la sustentación era de 10 a 20 veces más pequeña que la sustentación, con ángulos de planeo que solían ser de 3 a 10 grados. Eso es lo que hacían los pájaros planeando, sin mover las alas.

Así es como, en 1799, sir George Cayley formuló el concepto de aeroplano moderno cuyo principio fundamental establece que para mantener en vuelo un artefacto hay que ganar velocidad, hacer que unos planos fijos, las alas, incidan sobre la corriente de aire con un pequeño ángulo- lo cual genera una fuerza de sustentación capaz de equilibrar el peso- y contrarrestar la resistencia, que será una pequeña fracción del peso, con un empuje de igual magnitud. Durante mucho tiempo, Cayley se obsesionó con la idea de construir un motor ligero que le suministrara suficiente potencia para generar el empuje, sin darse cuenta de que podía volar, como los pájaros planeadores, a expensas de la gravedad. Ya muy mayor, octogenario, construyó planeadores en los que volaría su chófer. A partir de ahí, aun tardarían más de cien años en pergeñar los inventores un aeroplano práctico, pero el camino a seguir ya lo había marcado el noble inglés que supo tomar buena nota de lo que hacían los pájaros.

Bien, ahora estamos en el siglo XXI y cabe preguntarse ¿qué nos pueden enseñar los pájaros? Además la pregunta es muy oportuna porque venimos de un siglo en el que el lema fue “queremos ir más alto, más lejos y más deprisa” y ahora la cuestión es “queremos ser, por encima de todo, energéticamente más eficientes”. Eso equivale a que deseamos aviones más ligeros y cuya resistencia al avance sea menor. La Naturaleza es una perfecta maestra cuando se trata de optimizar recursos. Su método de prueba y error lleva tiempo, quizá millones de años, pero es muy efectivo. Para los ingenieros de un futuro en el que la eficiencia primará sobre la eficacia, la Naturaleza es un modelo idóneo a seguir.

Nuestros aviones comerciales son mucho más grandes y vuelan bastante más deprisa que los pájaros y a veces es imposible establecer comparaciones. Desde que desaparecieron los pterosaurios, hace más de 60 millones de años, los animales más pesados que tienen capacidad para volar no pasan de 20 kilogramos. Incluso, los 80 o 100 kilogramos de aquellos monstruos voladores del Cretáceo hay que multiplicarlos por 1000 para llegar al peso de despegue de un avión como el B-737 MAX que no es de los más grandes. Sin embargo, hoy existe un mercado creciente de aeronaves no tripuladas de tamaño relativamente pequeño para el que estas comparaciones pueden ser perfectamente válidas.

Muchos de los avances aerodinámicos introducidos en los aviones comerciales, durante los últimos años, los vienen utilizando los pájaros desde siempre. Los winglets y los slats, que con casi toda seguridad no surgieron del estudio del vuelo de los pájaros- sino de ensayos en túneles aerodinámicos- son un ejemplo claro de cómo nuestros descubrimientos ya los había inventado la Naturaleza.

En 1976, un ingeniero de la NASA, Richard Withcomb, publicó un artículo en el que demostró los beneficios de colocar en las puntas de las alas unos planos verticales que se denominan winglets, wingtips o sharklets. Withcomb explicaba en su nota que estos adminículos disminuían la resistencia asociada a los torbellinos que se desprenden de las puntas de las alas. Según Aviation Partners, la empresa que patentó en Estados Unidos, en 1994, un tipo de winglet- que usa Boeing en muchos de sus aviones- este dispositivo puede reducir el consumo de combustible entre un 5% y un 7,5%.

Sabemos que los pájaros, en determinadas situaciones, separan las puntas de las plumas primarias dejando huecos entre las mismas lo que produce exactamente el mismo efecto que los winglets. A diferencia de nuestros aviones cuyos winglets son fijos, los pájaros los despliegan en los momentos en que realmente son más efectivos.

Para aumentar la sustentación de las alas a baja velocidad, los aviones grandes utilizan slats que son dispositivos móviles para crear una ranura en el borde de ataque del ala. Cuando el ángulo de ataque del ala aumenta la sustentación también lo hace, hasta un valor de ese ángulo- alrededor de unos 20 grados- en el que el ala entra en pérdida y deja de sustentar. La pérdida se produce porque el flujo laminar de aire en la parte superior del ala (extradós) se desprende. La ranura del slat induce en el extradós un soplado de aire, desde la parte inferior del ala (intradós), que retrasa el desprendimiento del flujo de aire al incrementar el ángulo de ataque.
Los pájaros tienen una pluma, en el borde de ataque del ala, que se llama alula y que funciona de un modo similar, aunque no exactamente igual, a los slats de los aviones.

Los pájaros y nuestros aviones se diferencian fundamentalmente en tres cosas. La primera es que los pájaros no utilizan un plano vertical en la cola. Ese plano- indispensable en las aeronaves para mantener la actitud de guiñada, amortiguar las oscilaciones, y compensar el resbalamiento en un vuelo asimétrico- no lo lleva ningún pájaro. La segunda es que no utilizan hélices. Y la tercera es que los pájaros tienen una forma variable que adaptan en tiempo real a las necesidades del vuelo que ejecutan.
Hay estudios que explican cómo los pájaros pueden volar sin un plano vertical en la cola. Esa posibilidad, que demuestra la evidencia, se debe a la capacidad que tienen los pájaros para modificar en tiempo real su morfología. Como ese no es el caso de nuestros aviones, no tendremos más remedio que seguir haciéndolos con colas.

Fabricar hélices presenta serios problemas a la Naturaleza, porque los tejidos vivos necesitan riego sanguíneo y haría falta una junta rotatoria capaz de transmitir el líquido a las palas de las hélices. Como no ha encontrado el modo de construir este dispositivo, la Naturaleza emplea las puntas de las alas para impulsar a los pájaros. Estas puntas, en su movimiento descendente sufren una torsión, de modo que el plano en el extremo del ala baja casi perpendicular al suelo y la fuerza aerodinámica allí tiene el sentido de la marcha. En las proximidades del cuerpo el ala del pájaro apenas se mueve y recibe el aire como si se tratara de un aeroplano. En esta parte del ala se produce la sustentación que compensa el peso del animal y en las puntas la tracción que lo impulsa.

Quizá, el aspecto que nos pueda ayudar en mayor medida a mejorar nuestras aeronaves en el futuro, sea el estudio de cómo varían los pájaros la forma de su cuerpo, en función del vuelo. Si analizamos el vuelo de planeo de un cóndor se puede observar como el pájaro despliega en mayor o menor medida sus patas para ajustar el ángulo de descenso. Este mecanismo es efectivo si la velocidad es elevada, pero no cuando vuela despacio. Incluso volando deprisa, el ajuste del ángulo de descenso, variando la resistencia frontal, lleva algún tiempo. Si lo quiere hacer rápidamente, el cóndor disminuye la superficie de sus alas. A baja velocidad la extensión y separación de las plumas primarias en la punta de las alas, es mucho más efectiva que la reducción de la sección frontal, para disminuir el ángulo de planeo.

El empleo de todos estos recursos y de otros, que ni siquiera conocemos, hacen de los pájaros unos excelentes maestros de los que podemos aprender las ventajas de la geometría variable para hacer nuestros aviones más eficientes.

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