El Vuelo del Abejorro
“Damas y caballeros, por favor tomen sus asientos y abróchense los cinturones”, la aeromoza dice amablemente en el intercomunicador. Las turbinas comienzan a zumbar. Usted siente una pequeña sacudida y el avión comienza a moverse hacia la pista de despegue. Sostiene su asiento nerviosamente a causa de la nueva experiencia que va a tener. Una vez en el camino, el avión rápidamente aumenta la velocidad. Su estómago se siente más pesado y su corazón se agita mientras que el avión comienza a dejar el suelo, y usted ve el paisaje haciéndose cada vez más pequeño mientras que flota en el aire hasta llegar a un gran mar de nubes.
¿Le suena este relato familiar? A menos que sea propenso a enfermarse o tenga temor a volar, el relato anterior probablemente le recuerde a su primera experiencia en un avión. ¿Se ha preguntado qué es lo que hace que el avión pueda volar? Los físicos e ingenieros entienden este fenómeno muy bien. Ellos han estudiado el diseño sofisticado del vuelo del avión. El borde guía redondeado del ala y el borde trasero afilado, propulsados por más de 63,300 libras de fuerza motora, producen una elevación efectiva del avión.
Ahora, imagine que no hubiera motores con los cuales propulsar el avión. ¿Pudiera volar el avión? Es imposible que un avión vuele sin motores. Y esto nos trae al ejemplo del abejorro. Teóricamente, los científicos dicen que el abejorro debería mantenerse en el suelo, así como un avión sin motores. Considerando que la ecuación básica que gobierna la aerodinámica del vuelo de los insectos y los aviones es supuestamente la misma, no existe explicación aparente en cuanto a cómo puede volar el abejorro. Los abejorros producen más elevación que la predicha por el análisis aerodinámico convencional. La moción recíproca de las alas hace a la aerodinámica increíblemente inestable y difícil de analizar.
Los abejorros son abejas peludas y robustas que miden aproximadamente desde ½ pulgada hasta una pulgada. Las alas del abejorro son muy pequeñas en relación a su cuerpo. Un avión construido con las mismas proporciones de un abejorro nunca despegaría, pero los abejorros no son como los aviones. En cambio, son más como helicópteros con aspas flexibles. Una ala flexible genera mucha más elevación que una rígida. Sin embargo, el avestruz tiene alas flexibles, pero no puede dejar el suelo. Por ende, los científicos se han preguntado cómo los abejorros generan elevación.
Los físicos teóricos aplicaron al abejorro las teorías que son efectivas en el vuelo de los modelos 747, y determinaron que las abejas no pudieran emprender el vuelo. Esto no “prueba” que los abejorros no puede volar; esto simplemente significa que los físicos han hecho una ecuación equivocada. Ivars Peterson intentó defender a los científicos al decir: “El asunto real no es que los científicos están equivocados, sino que existe una diferencia crucial entre algo y un modelo matemático de algo”. No obstante, este enunciado aparentemente ambiguo precedió a una razón válida: “Un cierto modelo matemático simple no fue adecuado o apropiado para describir el vuelo del abejorro” (1997). De hecho, no existe nada simple en cuanto al vuelo del abejorro.
El vuelo del insecto ha sido un misterio para los científicos por muchos años. Este problema se remonta hasta el libro de 1934 del entomólogo francés Antoine Magnan, quien se refirió al cálculo hecho por el ingeniero André Sainte-Lague. Su conclusión se basó en el hecho que “la elevación máxima posible producida por las alas de un avión tan pequeño como un abejorro, y que viaja tan lento como esta abeja, sería mucho menor al peso de la abeja” (Dickinson, 2001).
Desde 1934, los ingenieros han empleado la teoría aerodinámica para diseñar los aviones Boeing 747 y los aviones furtivos (Stealth fighters). Estos aviones son muy complejos, aunque su función está basada sobre principios de estado-constante. Los insectos trastornan este principio porque agitan y rotan sus alas en un promedio de 300 a 400 golpes por segundo—¡más de diez veces más rápido que el índice de accionamiento del sistema nervioso! El abejorro logra esta gran velocidad en sus alas al simplemente contraer y relajar algunos músculos en su abdomen. Adicionalmente, las variaciones en los patrones de aleteo producen diferentes fuerzas aerodinámicas que desconciertan los análisis matemáticos. Las alas del insecto no se mueven como las puertas con bisagras simples. En cambio, la punta de cada ala traza un óvalo delgado en un ángulo brusco. Además, las alas “abanican” durante cada golpe. El lado superior del ala mira hacia arriba durante el golpe inferior y mira hacia abajo durante el golpe superior.
El especialista en mecánica animal, Charlie Ellington, de la Universidad de Cambridge en Inglaterra, descubrió algo que parecía solucionar el rompecabezas. Descubrió que la elevación extra era generada por un vórtice que viajaba por el borde guía del ala del insecto. Los investigadores Michael Dickinson y James Birch, de la Universidad de California en Berkeley, descubrieron hallazgos contrarios. En la revista de ciencia Nature, compartieron su investigación concerniente a la elevación aerodinámica extra creada por los abejorros. Ellos construyeron un modelo a gran escala de una mosca de la fruta y observaron su vuelo en un tanque de aceite mineral. Simularon la acción de una pequeña mosca de la fruta volando en el aire—un medio menos espeso. El profesor Dickinson dijo: “Basados en estos experimentos, concluimos que la hipótesis [de Cambridge] no puede explicar la adherencia del vórtice a través del golpe” (Macphee, 2001).
No obstante, la conclusión de Ellington provocó una búsqueda por una ecuación de “función inestable” que pudiera explicar la función superior de las alas flexibles. La distribución de velocidades y presiones dentro de un fluido es gobernada por lo que se conoce como ecuaciones de Navier-Stokes, que fueron formuladas a comienzos del siglo diecinueve. Los hallazgos de Ellington revelaron que el vuelo del abejorro no podía ser solucionado solamente por medio de las ecuaciones Navier-Stokes. Los movimientos de las alas del abejorro son demasiado complejos para formular una ecuación exacta que caracterice la aerodinámica de su vuelo.
Intentando solucionar el misterio del vuelo del insecto, los científicos hicieron modelos grandes de las alas del abejorro. Estos modelos produjeron resultados viables al combinar dos fuerzas viables en un fluido—una fuerza de presión producida por la inercia del fluido y una fuerza de corte causada por la viscosidad del fluido. El profesor Dickinson reportó nuevos hallazgos personales en el año 2001 como un resultado de basarse en las teorías de Ellington que previamente había intentado refutar. En su estudio publicado en Scientific American (“Solving the Mystery of Insect Flight” [“Resolviendo el Misterio del Vuelo del Insecto”]), Dickinson atribuyó el vuelo del abejorro a los fenómenos de pérdida retardada de sustentación, captura de la estela y circulación giratoria.
La pérdida retardada de sustentación ocurre cuando las alas de una aeronave cortan el aire en un ángulo demasiado inclinado. Los vórtices creados por los aviones usualmente dejan atrás una turbulencia molestosa en la estela. Sin embargo, los insectos requieren estos vórtices para permanecer en vuelo. Un vórtice es un flujo giratorio de fluido, tal como ocurre en una bañera que desagua. Cuando avanza en ángulos planos, el aire se divide en la parte frontal del ala y fluye suavemente en dos corrientes hacia las superficies altas y bajas. La corriente superior viaja más rápido, dando como resultado una presión más baja sobre el ala. Esto atrae al ala hacia arriba, produciendo la elevación. La primera fase de la pérdida retardada de sustentación aumenta inicialmente la elevación a causa de una estructura de flujo breve llamada vórtice de borde-guía. Este tipo de vórtice se forma directamente arriba y atrás del borde guía del ala. El flujo de aire en el vórtice es extremadamente rápido, y la presión baja resultante añade elevación substancial.
Los hallazgos de Dickinson parecen estar en armonía con la información experimental registrada por el físico Jane Wang de la Universidad de Cornell, quien escribió:
El viejo mito del abejorro simplemente refleja nuestro entendimiento pobre de la dinámica del fluido viscoso inestable. A diferencia de las alas fijas y estables de una aeronave—una dinámica de flujo casi sin viscosidad—los insectos vuelan en un mar de vórtices, rodeados por pequeños remolinos y torbellinos que son creados cuando mueven sus alas (citado en Segelken, 2000, paréntesis en original).
En adición a la pérdida retardada de sustentación, Dickinson descubrió que las alas generaban fuerzas temporales al comienzo y final de cada golpe que no podían ser explicadas completamente por la pérdida de sustentación. Los niveles más altos de estas fuerzas ocurrían durante la inversión del golpe, cuando el ala desaceleraba y giraba rápidamente, sugiriendo que el mismo giro podía ser responsable de estas fuerzas. Dickinson ilustró la idea de la circulación giratoria al usar una pelota de tenis. Una pelota de tenis golpeada con un efecto hacia atrás atrae aire más rápidamente por encima, causando que la pelota se levante, mientras que un golpe con efecto hacía arriba atrae aire más rápido por debajo, causando que la pelota se hunda. Dickinson concluyó que las alas flexibles producen una elevación significante a causa de la circulación giratoria.
Finalmente, Dickinson descubrió que la captura de estela—la colisión del ala con la estela giratoria del golpe previo del ala—ayuda al vuelo de los insectos. Cada golpe del ala deja atrás una complejidad de vórtices. Cuando el ala invierte la dirección, esta pasa de nuevo a través de este remolino de aire. La estela contiene energía perdida del insecto por el aire, así que la captura de la estela es una manera en la cual el insecto puede recobrar energía.
Los científicos todavía no conocen cada complejidad involucrada en el vuelo del abejorro y otros insectos. Ellos esperan aprender más de las alas complejas del abejorro para aplicar el conocimiento a las aeronaves. Los ingenieros pueden construir grandes aviones al diseñar sus obras siguiendo el patrón del Gran Diseñador—Quien hace todas las cosas (Hebreos 3:4). Dios puso muchísimo diseño obvio y perspicaz en las diminutas alas del abejorro—y eso es solo una fracción minúscula del maravilloso Universo que Él diseño con determinación.
REFERENCIAS
Dickinson, Michael (2001), “Solving the Mystery of Insect Flight,” [En-línea], URL: http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000EE5B1-DCA8-1C6F- 84A9809EC588EF21.
Macphee, Kona (2001) “The Buzz on Bumblebees,” [En-línea], URL: http://pass.maths.org.uk/issue17/news/bumble.
Peterson, Ivars (1997), “Flight of the Bumblebee,” [En-línea], URL: http://www.maa.org/mathland/mathland_3_31.html.
Segelken, Roger (2000), “Bumblebees Finally Cleared for Takeoff,” [En-línea], URL: http://www.news.cornell.edu/releases/March00/APS_Wang.hrs.html.
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