Científicos de la Universidad de Hiroshima emprendieron un estudio de las alas de las libélulas para comprender mejor la relación entre la estructura ondulada del ala y los movimientos de los vórtices. Descubrieron que las alas corrugadas exhiben mayor sustentación que las alas planas.
Su trabajo fue publicado en la revista Physical Review Fluids. el 7 de diciembre de 2023.
Los investigadores se propusieron determinar si la ondulación del ala de una libélula es un ingrediente secreto para aumentar la sustentación. Si bien investigaciones anteriores se han centrado en gran medida en el flujo constante alrededor del ala durante el movimiento hacia adelante, el impacto de los vórtices generados por su estructura corrugada en la sustentación sigue siendo un misterio.
Las superficies de las alas de insectos como libélulas, cigarras y abejas no son planas como las alas de un avión de pasajeros. Las alas de los insectos están compuestas de nervios y membranas, y la forma de su sección transversal consiste en vértices (nervios) y segmentos lineales (membranas). La geometría de la forma aparece como una conexión de objetos con forma de V u otras formas.
Estudios anteriores han demostrado que las alas corrugadas, con sus crestas y ranuras, tienen un mejor rendimiento aerodinámico que las alas lisas con números de Reynolds bajos. En aerodinámica, el número de Reynolds es una cantidad que ayuda a predecir el patrón de flujo de los fluidos.
Los estudios aerodinámicos anteriores sobre alas corrugadas han contribuido a aplicaciones en pequeños robots voladores, drones y molinos de viento. Debido a que los insectos poseen poca fuerza muscular, de alguna manera sus alas corrugadas deben brindarles ventajas aerodinámicas. Sin embargo, los científicos no han comprendido completamente el mecanismo en funcionamiento debido a la compleja estructura del ala y las características de flujo.
Los investigadores utilizaron cálculos numéricos directos para analizar el flujo alrededor de un ala corrugada bidimensional y compararon el rendimiento del ala corrugada con el de un ala plana. Centraron su estudio en el período entre la generación inicial del vórtice de vanguardia y las interacciones posteriores antes del desprendimiento.
Descubrieron que el rendimiento del ala corrugada era mejor cuando el ángulo de ataque, ese ángulo en el que el viento se encuentra con el ala, era superior a 30°.
La estructura desigual del ala corrugada genera una sustentación inestable debido a estructuras de flujo complejas y movimientos de vórtice. "Hemos descubierto un mecanismo de elevación impulsado por una danza de flujo de aire única desencadenada por una estructura corrugada distintiva. Puede cambiar las reglas del juego respecto del simple escenario del ala de placa", dijo Yusuke Fujita, Ph.D. estudiante de la Escuela de Graduados en Ciencias Integradas para la Vida de la Universidad de Hiroshima.
Los investigadores construyeron un modelo bidimensional de un ala corrugada utilizando el ala de una libélula de la vida real. El modelo constaba de estructuras corrugadas más profundas en el lado del borde de ataque y estructuras menos profundas o más planas en el lado del borde de salida.
Utilizando su modelo bidimensional, simplificaron aún más el movimiento del ala y se centraron en la generación de sustentación inestable trasladándola desde el reposo. El movimiento de traslación, o movimiento deslizante, es un componente principal del movimiento del ala, además del cabeceo y la rotación. El análisis de los investigadores amplía la comprensión de los mecanismos no estacionarios que utilizan las libélulas durante el vuelo.
El equipo de investigación consideró modelos bidimensionales en su estudio. Sin embargo, su trabajo se centró en la aerodinámica del vuelo de los insectos, donde el flujo suele ser tridimensional.
"Si estos resultados se amplían a un sistema tridimensional, esperamos obtener más conocimientos prácticos para comprender el vuelo de los insectos y su aplicación en la industria", dijo Makoto Iima, profesor de la Escuela de Graduados en Ciencias Integradas para la Vida de la Universidad de Hiroshima. .
De cara al futuro, los investigadores centrarán sus investigaciones en modelos tridimensionales. "Comenzamos con un modelo de ala corrugada bidimensional en un repentino estallido de movimiento. Ahora, nos embarcamos en la búsqueda de explorar el impulso de sustentación en una gama más amplia de formas y movimientos de ala. Nuestro objetivo final es crear un nuevo Ala bioinspirada con alto rendimiento gracias a nuestro mecanismo de mejora de sustentación", dijo Fujita.
Más información: Yusuke Fujita et al, Mecanismo de mejora de la elevación dinámica del modelo de ala de libélula mediante interacción vórtice-corrugación, Fluidos de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevFluids.8.123101
Información de la revista: Líquidos de revisión física
Proporcionado por la Universidad de Hiroshima
