El libro del vuelo de las aves

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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

En la naturaleza, los animales ejecutan el vuelo siguiendo patrones distintos, que dependen del peso del volador. La inmensa mayoría de los seres vivos que vuelan son insectos, por lo que podemos asegurar que el vuelo de las aves —y en particular el de las de mayor tamaño— es un fenómeno bastante singular. A los voladores (naturales o artificiales) que aletean para volar se les denomina ‘ornitópteros’; los pájaros son ornitópteros y sus alas ejecutan movimientos realmente complejos.

Hasta finales del siglo XIX no se llegó a entender del todo cómo el movimiento de las alas de los pájaros les permite generar las fuerzas de sustentación para equilibrar su peso y empuje para avanzar. Fue el científico francés Étienne-Jules Marey quien, en su libro Le vol des oiseaux (París, 1890), describió por primera vez con detalle todos los aspectos relacionados con el vuelo de estos animales.

A lo largo de la primera mitad del siglo XX muy pocos estudiosos se ocuparon de este asunto. Sin embargo, a partir de 1960 se desarrollaron modelos matemáticos y técnicas experimentales que utilizaron túneles de viento, cinematografía, rayos X y radares, para observar el movimiento del esqueleto y los músculos de los pájaros en vuelo. Se ha podido medir la fuerza muscular y el consumo energético de ejemplares en pleno vuelo. El uso de los GPS ha permitido estudiar con detalle los movimientos migratorios de algunas aves. Mediante pequeños sensores ha sido posible grabar la evolución del ritmo cardíaco en las distintas fases del vuelo. El análisis de la disminución de la concentración de isótopos pesados de hidrógeno y oxígeno, inyectados en la sangre de las aves, se ha empleado para evaluar el nivel de intercambio de gases, un factor que determina el consumo de energía del animal. Durante los últimos 50 años, los científicos han recopilado una ingente masa de datos relacionada con el vuelo de las aves, aunque aún quedan muchos aspectos por esclarecer.

Siempre se establecen analogías entre el vuelo animal y el de las aeronaves construidas por los hombres. La diferencia fundamental estriba en el peso. El peso de muy pocos pájaros supera los 10 kilogramos y en todos los aviones comerciales de pasajeros pasa de las 10 toneladas (442 toneladas en el caso del Boeing 747-8). Las aeronaves comerciales tienen un peso que excede el de los pájaros en tres órdenes de magnitud. En cuanto a la forma de volar, las aeronaves cuentan con alas fijas que sirven para generar la fuerza que contrarresta el peso y motores que aportan la potencia necesaria para producir el empuje que les permite avanzar. Las aves emplean sus alas para realizar, de forma simultánea, las dos tareas: equilibrar su peso y propulsarse.

Pero ¿cómo utilizan las aves sus alas para sustentarse y, al mismo tiempo, para crear el impulso que les permite volar sin perder altura? En el movimiento de aleteo descendente el ala no forma un plano sino que sufre una torsión. La fuerza aerodinámica resultante en las puntas del ala tiene la dirección del vuelo, hacia adelante, mientras que la fuerza aerodinámica de sustentación en la parte central es hacia arriba. Así es como un pájaro consigue generar la fuerza de empuje para avanzar, venciendo la resistencia, y la de sustentación para compensar el peso.

Aparentemente las hélices son un mecanismo más sencillo y eficaz para generar el empuje que el sistema de torsión de las alas. Quizá no sea así, pero lo que sí es cierto es que la naturaleza no puede construir hélices porque no ha inventado, todavía, juntas rotatorias capaces de llevar la sangre a lo que serían las palas de esos inexistentes miembros; así es que se ha visto obligada a discurrir el modo de emplear las alas para propulsar a sus pájaros.

Del vuelo de las aves cabe destacar su capacidad para desarrollar tanta potencia durante largos periodos de tiempo que pueden durar varios días, la cantidad de especies que migran, su excepcional sentido de la orientación y la navegación, la habilidad para cambiar la forma de su cuerpo, su destreza para extraer energía del aire y la complejidad de la aerodinámica no estacionaria que gobierna su forma de volar.

Un atleta bien entrenado, que pese 75 kilogramos, es capaz de producir unos 250 vatios durante algunas horas. Sin embargo, un cisne blanco de poco más de 10 kilogramos necesita 300 vatios para mantenerse en vuelo. El ejercicio del vuelo es mucho más exigente, en cuanto a requerimientos de potencia, que nadar o caminar, sobre todo cuando aumenta el peso de los individuos. De otra parte, el vuelo es desde un punto de vista energético, un sistema de transporte muy eficiente. Si comparamos una ardilla y un mirlo, del mismo peso, con unas 125 calorías de presupuesto energético, la ardilla correrá una distancia de unos 500 metros y el mirlo volará 2000 metros. Pero, la mayor eficiencia energética exige a cambio una capacidad de generar potencia muy elevada y, lo que es aún más difícil: mantener dicha situación durante un tiempo prolongado. Como los animales queman azúcar, hidratos de carbono y grasas para producir energía, lo normal es que durante un trayecto sin escalas consuman sus reservas, lo que hace que los pájaros tengan que ser capaces de acumular gran cantidad de grasa antes de emprender un viaje largo. De hecho, muchos de ellos pueden sobrealimentarse hasta doblar el peso, antes de iniciar sus vuelos migratorios.

La producción de un nivel elevado de potencia implica que el organismo de las aves posea unas características que son muy poco compatibles con la longevidad. La vida de los pájaros no es muy larga y además está llena de peligros. La elevada tasa de combustión, que requiere oxígeno y combustibles, es posible gracias a un sistema respiratorio que se extiende por todo el cuerpo y ocupa hasta el 20% del mismo (mientras que en los mamíferos esta cifra es del orden del 5%) y a un aparato circulatorio que puede bombear sangre a un ritmo de 500 pulsaciones por minuto y funciona a una presión elevada. Pero no basta con almacenar y transportar oxígeno y grasas, los músculos necesitan para trabajar trifosfato de adenosina (ATP) que a su vez se produce a partir de las reservas. No es suficiente almacenar la grasa sino que para que los músculos funcionen es necesario que los pájaros posean células ricas en mitocondrias que son las responsables de usar los nutrientes para generar el ATP.

Para volar, los pájaros poseen cuerpos muy especializados, capaces de generar mucha potencia de un modo sostenido.

Los vuelos migratorios son otra de las características que hace que las aves sean unos animales excepcionales. Aunque los científicos lo sospechaban, hasta hace muy poco tiempo no se había podido constatar, de modo fehaciente gracias a los GPS, que algunas aves migratorias, como la becasina de cola barrada, son capaces de recorrer más de 11 000 kilómetros en un vuelo ininterrumpido: de Alaska a Nueva Zelanda. En estos viajes pierden la mitad de su peso y muchos individuos la vida. Lo que se desconoce es el motivo que impulsa a estos animales a cruzar el globo terrestre dos veces, todos los años. De Nueva Zelanda, viajan por el Pacífico al norte de China y de allí regresan otra vez a Alaska para repetir el circuito la temporada siguiente. Estos pájaros no son los únicos que siguen esa ruta, hay más, y sin llegar a esos extremos hay muchísimas especies que migran del norte de Eurasia al África tropical y a Sudáfrica, y otras lo hacen de norte a sur y viceversa, en el continente americano. Es difícil explicar que todos los años tantas especies de voladores emprendan esos largos periplos, tan peligrosos para ellos.

El ejercicio de las migraciones obliga a estos pájaros a poseer mecanismos de orientación muy sofisticados. Sabemos que han desarrollado varios sistemas para determinar rumbos: detectan la inclinación y la intensidad del campo magnético terrestre, reconocen la posición de las estrellas y la del sol y son capaces de diferenciar la luz polarizada. También poseen cierta capacidad de navegación inercial. En principio, con las brújulas las aves podrían seguir un rumbo y auxiliarse del reconocimiento visual del terreno para corregirlo y llegar a su destino. La navegación inercial también les permitiría, con la ayuda del reconocimiento visual, alcanzar sus objetivos. Es más complicado pensar que volando sobre el mar, con escasas referencias visuales, los pájaros sepan corregir el necesario abatimiento de las corrientes de aire, sobre todo en trayectos de miles de kilómetros. Es por eso, por lo que se supone que las aves cuentan con mecanismos capaces de indicarles, además del rumbo, una referencia más o menos exacta del lugar en donde se encuentran en cada momento. Eso significaría que disponen de una especie de GPS interno.

En cualquier sistema de navegación, para situarnos sobre la superficie de la Tierra, la complejidad está en la determinación de la longitud (ángulo medido sobre el paralelo del lugar a un meridiano de referencia, que suele ser Greenwich). La latitud (ángulo medido sobre el meridiano del lugar al Ecuador) la podemos deducir directamente de la altura de la estrella Polar, al menos en el hemisferio Norte, o de la del sol al mediodía, sabiendo en qué época del año estamos, en ambos hemisferios. La determinación de la longitud se resuelve llevando a bordo un reloj con la hora de Greenwich. La diferencia horaria entre las 12:00 horas locales y la que marca el reloj de referencia cuando el sol pasa por el meridiano de nuestro lugar (posición más alta), nos permite calcular la longitud del meridiano en que nos hallamos, ya que el sol recorre 15 grados cada hora. Es posible que los pájaros utilicen su reloj interno durante las migraciones, el ciclo circadiano, para determinar la longitud geográfica de su posición, al menos con respecto al punto de partida; pero no se sabe si emplean este mecanismo u otro para posicionarse con cierta exactitud sobre la Tierra. Caben otras posibilidades, que trato en este libro, porque la navegación de los pájaros continúa siendo un asunto del que no se tiene un conocimiento muy preciso.

Los pájaros son capaces de adaptar la forma de su cuerpo a las necesidades del vuelo con rapidez y continuamente. Esa geometría variable es quizá el elemento que los diferencia sustancialmente de los aviones que fabrica el hombre. Son animales cuyo vuelo es muy inestable ya que deben de actuar de forma constante sobre las distintas partes de su cuerpo para mantenerse dentro de lo que constituye su envolvente de vuelo. A la vez que esta característica los hace muy eficientes, requiere que estén dotados de un complicado sistema de control. Necesitan sensores muy precisos (vista, oído, aceleraciones y presión) que le informen de su posición, velocidad y fuerzas a las que están sometidas las distintas partes de su cuerpo; también deben contar con un sistema nervioso muy rápido que transmita esta información a su cerebro, para que la procese de forma automática y envíe a los músculos la respuesta necesaria de acuerdo a las circunstancias. Estas funciones marcan una gran divergencia entre el modo de operar de un aeroplano comercial y el de un simple pájaro; mientras que el piloto del aeroplano maneja una máquina estable con un número muy limitado de controles y poca capacidad de actuación sobre la geometría de su aeronave, el pájaro tiene que procesar, automáticamente, muchos datos, para mantenerse en vuelo.

Otro aspecto del vuelo, que caracteriza a muchos pájaros es la capacidad que tienen para extraer energía del viento. En la atmósfera, sobre tierra, existen térmicas ascendentes y corrientes de montaña que generan ondas y rotores; sobre el mar hay gradientes de velocidad en altura muy acusados, en particular cerca de la superficie del mar se crean capas en las que la velocidad del aire aumenta mucho con pequeñas variaciones de la altura; tanto en tierra como en el mar, hay corrientes ascendentes generadas por obstáculos bien sean olas, barcos, promontorios o construcciones. Muchos pájaros, como los cóndores y buitres leonados, son maestros en la extracción de la energía de las térmicas, y otros, como los albatros, dominan la técnica de aprovechar los gradientes de velocidad en altura, cerca de la superficie de las olas. Estos pájaros planeadores son capaces de pasar muchas horas volando sin batir las alas y recorrer centenares de kilómetros con un esfuerzo mínimo. Las aves planeadoras pueden mantenerse en el aire en busca de alimento durante largos periodos de tiempo sin apenas mover las alas: los carroñeros buscan animales muertos, los depredadores conejos, serpientes o incluso otros pájaros, y las aves oceánicas peces. Hay también pájaros, como las cigüeñas, que en sus largas migraciones utilizan el planeo para desplazarse con ahorro de energía; estas aves evitan cruzar los mares, donde las térmicas son inexistentes o muy débiles, por eso en Europa los pasos migratorios se concentran en las costas del Oriente Próximo y el estrecho de Gibraltar.

El aire ejerce sobre el pájaro un conjunto de fuerzas que le permiten volar. Cuando lo hace con las alas extendidas y fijas, como un aeroplano, las teorías aerodinámicas que se han desarrollado para los aviones son aplicables a las aves, pero con algunas salvedades. Es importante tener en cuenta un parámetro que se denomina número de Reynolds y que refleja la importancia relativa entre las fuerzas viscosas o de rozamiento y las inerciales, en el movimiento del aire alrededor de un cuerpo. En función del valor de este número, el comportamiento de las alas difiere de forma significativa. El número de Reynolds del flujo de aire en los aviones es del orden de millones, mientras que en el caso de los pájaros oscila entre 30 000 y 350 000.

El vuelo de aleteo, con batimiento de las alas, se considera que es bastante más trabajoso para el pájaro que el de planeo. Desde un punto de vista aerodinámico es muy complejo, especialmente a baja velocidad, durante los momentos del despegue y aterrizaje. Es muy difícil establecer un modelo genérico aplicable al vuelo ornitóptero y resulta más práctico analizar asuntos concretos del mismo. El estudio de las estelas, con pájaros adiestrados para volar en túneles de viento, ha mostrado aspectos muy interesantes de este tipo de vuelo. El hecho de que las fuerzas que el pájaro ejerce sobre el aire tienen que ser iguales a las que el aire ejerce sobre el pájaro, permite conocer estas últimas mediante el estudio del movimiento del aire alrededor del pájaro. Se han desarrollado técnicas que hacen uso de la fotografía con láser para determinar la velocidad de las partículas del aire que rodea a un pájaro que ha aprendido a volar en un túnel de viento. Los resultados de estos estudios han permitido avanzar mucho en el conocimiento del vuelo de aleteo durante los últimos años. A baja velocidad, con flujos cuyo número de Reynolds es pequeño el vuelo de aleteo se produce en situaciones en las que la corriente de aire no es estacionaria y los torbellinos asociados, así como las fuerzas de sustentación y resistencia tardan un tiempo en establecerse y cambiar. Gran parte de la sustentación de las alas, a baja velocidad y con ángulos de ataque elevados, se debe a los torbellinos que se forman en el borde de ataque del ala. La complejidad asociada al estudio aerodinámico del vuelo de pequeños ornitópteros a baja velocidad hace que los análisis concretos de situaciones puntuales adquieran mayor utilidad que el desarrollo de cualquier modelo que pretenda abordar la solución completa del problema.

Cuando estudiamos el vuelo de los pájaros es inevitable pensar que se trata de un ejercicio muy complicado. Tanto, que nos sorprendemos de que pueda ocurrir. Sin embargo, para un ave que lo hace todos los días, la práctica del vuelo es parte de su vida, al igual que lo es para los mamíferos terrestres desplazarnos sobre la superficie de nuestro planeta. No sabemos cómo lo hacemos, pero lo hacemos. Para el ave, el aire es el medio en el que se apoya y debe hallarlo tan consistente y seguro como lo es el suelo para nosotros. Los movimientos que le permiten volar son instintivos, automáticos, los produce un sistema nervioso ligado a más de un centenar de músculos que a su vez recibe instrucciones que elabora el pájaro con un nivel de consciencia más elevado.

Otro asunto de interés es qué puede enseñarnos el estudio del vuelo de los pájaros para construir nuestros futuros aviones. La respuesta se complica por el hecho de que si bien las aeronaves comerciales transportan carga de pago los pájaros no y además quizá aves y humanos tengamos prioridades muy distintas, en el ejercicio del vuelo, durante los años venideros.

Y para terminar esta introducción, diré que El libro del vuelo de las aves está escrito con la intención de que pueda leerlo cualquier persona que desee profundizar en el conocimiento del vuelo de los pájaros. Es un libro de divulgación y he tratado de evitar fórmulas y terminología científica, y le pido por anticipado al lector disculpas por las expresiones matemáticas que no he sabido evitar. Puede pasarlas por alto, sin merma de la comprensión del fondo de los asuntos que en el libro se tratan. La mayor parte de las fórmulas, así como los detalles sobre la anatomía de las aves, cuestiones relacionadas con la Aerodinámica y datos de vuelo de un conjunto de aves, los he incorporado en los anexos.

2 comentarios el “El libro del vuelo de las aves

  1. Estimado Francisco , junto con saludarlo y esperando se encuentre muy bien , le escribo para saber cómo puedo comprar su libro sobre el vuelo de las aves , soy de Chile, quedo atento a su respuesta

    • Lo puede pedir en Amazon. Haga click en la tapa del libro y le saldrá la página. Se lo mandan a casa. En unos diez días saldrá en formato electrónico, también en Amazon. Gracias por su interés y felices Navidades.

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