Christina Harvey con modelos de túnel de viento de alas de gaviota en el laboratorio de la Universidad de Michigan. Crédito:Christina Harvey/UC Davis
La gente ha estado fascinada por el vuelo de las aves durante siglos, pero sigue siendo un misterio exactamente cómo las aves pueden ser tan ágiles en el aire. Un nuevo estudio, publicado el 5 de septiembre en Proceedings of the National Academy of Sciences , usa modelos y aerodinámica para describir cómo las gaviotas pueden cambiar la forma de sus alas para controlar su respuesta a ráfagas u otras perturbaciones. Las lecciones podrían algún día aplicarse a vehículos aéreos no tripulados u otras máquinas voladoras.
"Las aves realizan fácilmente maniobras desafiantes y son adaptables, entonces, ¿qué es exactamente lo más útil de su vuelo para implementar en futuras aeronaves?" dijo Christina Harvey, profesora asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de California, Davis y autora principal del artículo.
Harvey comenzó a estudiar gaviotas como estudiante de maestría en zoología en la Universidad de Columbia Británica, luego de obtener su licenciatura en ingeniería mecánica.
"Las gaviotas son muy comunes y fáciles de encontrar, y son planeadores realmente impresionantes", dijo.
Harvey continuó su trabajo sobre las gaviotas como estudiante de doctorado en la Universidad de Michigan. Recientemente se unió a la facultad de UC Davis después de completar su doctorado en ingeniería aeroespacial.
En marzo de este año, Harvey y sus colegas de la Universidad de Michigan publicaron un artículo en Nature analizando la dinámica de vuelo de 22 especies de aves. Si bien los estudios anteriores han tendido a centrarse en la aerodinámica (cómo se mueve el aire alrededor de un ave), Harvey desarrolló ecuaciones para describir las propiedades de inercia de las aves, como el centro de gravedad y el punto neutral, donde las fuerzas aerodinámicas se pueden modelar consistentemente como fuerzas puntuales.
Las aeronaves suelen estar diseñadas para ser estables o inestables. Una aeronave estable tenderá a volver al vuelo constante cuando se vea perturbada (por ejemplo, cuando una ráfaga de viento la empuja hacia arriba). Esto es deseable, por ejemplo, en un avión comercial, pero no para un caza a reacción. Las aeronaves altamente maniobrables están diseñadas para ser inestables.
En su Naturaleza En un artículo, Harvey y sus colegas demostraron que casi todas las especies de aves estudiadas son capaces de volar de forma estable e inestable y usan los movimientos de las alas para cambiar entre estos modos.
Tres modelos de túnel de viento de alas de gaviota. Al combinar los estudios aerodinámicos con el modelado de las fuerzas de inercia, la ingeniera aeroespacial Christina Harvey está obteniendo nuevos conocimientos sobre cómo las aves controlan su vuelo. Crédito:Christina Harvey/UC Davis
Vuelo controlable
El nuevo estudio se basa en este trabajo, reuniendo estudios aerodinámicos utilizando modelos impresos en 3D de gaviotas y alas de gaviota en un túnel de viento, con modelos informáticos de fuerzas de inercia para comprender cómo las gaviotas logran la estabilidad a lo largo de su eje longitudinal (cayendo o subiendo).
Descubrieron que las gaviotas pueden ajustar la forma en que responden a las perturbaciones en ese eje ajustando las articulaciones de sus muñecas y codos, y transformando la forma de las alas. El equipo pudo predecir las cualidades de vuelo de las gaviotas y qué tan rápido pueden recuperarse de una perturbación como una ráfaga. Ese tiempo de reacción también brinda información sobre el "rango controlable" para el ave y sobre la aplicación de la dinámica de vuelo de las aves a la aeronave.
"El análisis de las cualidades de vuelo pregunta:si construyes un avión exactamente como una gaviota, ¿sería capaz de volarlo un humano?" Harvey said.
As uncrewed aerial vehicles, or drones, become more widely used, they need to be able to navigate complex urban environments, something birds do very well. A deeper understanding of bird flight could help improve drone designs for various uses.
Harvey will be opening her lab at UC Davis this fall. She hopes to collaborate with other campus researchers, including the California Raptor Center and researchers working on insect flight at the College of Biological Sciences.
"There are so many open questions about bird flight," she said, "I'm looking forward to seeing what else is out there to discover." Avian secret:The key to agile bird flight is switching quickly between stable and unstable gliding
