Ilustración de una pirámide de papel flotando en el aire. Fuente: NYU.
Las estructuras con un alto centro de gravedad son más propensas a mantener el equilibrio mientras están en el aire que las que tienen un centro de gravedad más bajo, según han descubierto varios investigadores de la Universidad de Nueva York (NYU).
Sus hallazgos, que han aparecido detallados en la revista Physical Review Letters, contradicen la percepción habitual de que la estabilidad de vuelo se puede lograr sólo a través de una distribución relativamente uniforme de peso, y pueden ofrecer nuevos principios de diseño para el equilibrio de los aviones.
Como demostraron los hermanos Wright hace 100 años, el desafío clave de volar es mantener el equilibrio. Sin embargo, mientras que hace ya 400 millones de años que los insectos despegaron del suelo, su estabilidad al volar sigue siendo un misterio debido a la compleja aerodinámica de sus alas.
Los investigadores del Instituto Courant de Matemáticas y del Departamento de Física de la NYU, explica una nota de prensa de la Universidad de Nueva York, se acercaron a esta cuestión creando las condiciones experimentales necesarias para lograr que un aparato mecánico y volador flote en equilibrio.
Para ello, crearon una serie de “bichos” con forma de pirámide, hechos de papel, que se colocaron en una columna oscilante de aire, simulando el efecto de unas alas batientes. Grabaron el experimento con vídeos de alta velocidad con el fin de analizar el flujo de aire alrededor de estos insectos artificiales.
Pirámides de papel
Para evaluar qué tipos de estructuras mantienen mejor el equilibrio, los investigadores crearon los insectos de papel con distintos centros de masa. Los "bichos" con el centro de gravedad alto se hicieron fijando un peso por encima de la pirámide, y los de centro de gravedad bajo lo llevaban en la parte inferior.
Sus hallazgos, que han aparecido detallados en la revista Physical Review Letters, contradicen la percepción habitual de que la estabilidad de vuelo se puede lograr sólo a través de una distribución relativamente uniforme de peso, y pueden ofrecer nuevos principios de diseño para el equilibrio de los aviones.
Como demostraron los hermanos Wright hace 100 años, el desafío clave de volar es mantener el equilibrio. Sin embargo, mientras que hace ya 400 millones de años que los insectos despegaron del suelo, su estabilidad al volar sigue siendo un misterio debido a la compleja aerodinámica de sus alas.
Los investigadores del Instituto Courant de Matemáticas y del Departamento de Física de la NYU, explica una nota de prensa de la Universidad de Nueva York, se acercaron a esta cuestión creando las condiciones experimentales necesarias para lograr que un aparato mecánico y volador flote en equilibrio.
Para ello, crearon una serie de “bichos” con forma de pirámide, hechos de papel, que se colocaron en una columna oscilante de aire, simulando el efecto de unas alas batientes. Grabaron el experimento con vídeos de alta velocidad con el fin de analizar el flujo de aire alrededor de estos insectos artificiales.
Pirámides de papel
Para evaluar qué tipos de estructuras mantienen mejor el equilibrio, los investigadores crearon los insectos de papel con distintos centros de masa. Los "bichos" con el centro de gravedad alto se hicieron fijando un peso por encima de la pirámide, y los de centro de gravedad bajo lo llevaban en la parte inferior.
Sorprendentemente, los resultados mostraron que los primeros flotaban con estabilidad, mientras que los segundos no podían mantener el equilibrio.
El equipo demostró que cuando un "bicho" con centro de gravedad alto se ladea, los remolinos de aire expulsados desde el otro lado del cuerpo se ajustan automáticamente para mantenerlo en posición vertical.
"Funciona como el equilibrio de un palo de escoba en la mano", explica Jun Zhang, profesor del Instituto Courant y uno de los co-autores del estudio. "Si comienza a caer hacia un lado, es necesario aplicar una fuerza en la misma dirección para mantenerlo en posición vertical."
En el caso de los insectos, son las fuerzas aerodinámicas las que proporcionan esta estabilidad. Las lecciones aprendidas en estos estudios podrían ser utilizadas para el diseño de robots con alas batientes estables y maniobrables.
El misterio de los insectos voladores
Los insectos vuelan moviendo las alas con un movimiento de aleteo. El vuelo de ala fija es un problema físico relativamente simple, pero el sistema de aleteo es más complicado, no sólo para la propulsión, sino también para mantener el equilibrio y mantenerse en alto.
Mientras que se han hecho algunos progresos con alas robóticas, simular un insecto en su totalidad, y no sólo sus alas, es complicado. Si los insectos en vuelo son intrínsecamente estables o inestables es, por lo tanto, todavía una cuestión abierta, explica la American Physical Society.
La elección de la forma de pirámide para este experimento vino dada por otros anteriores, que mostraron que estas figuras pueden sostenerse sobre un flujo de aire. En lugar de hacer que el artilugio volador tenga partes móviles, los científicos utilizaron un altavoz de audio de baja frecuencia para crear oscilaciones verticales en una columna de aire.
Aunque estos bichos están lejos de ser una analogía realista de un insecto, los mecanismos de flujo inestable revelado a través de estos experimentos pueden ayudar a abordar los desacuerdos actuales entre los modelos que evalúan la estabilidad intrínseca de los insectos voladores. El siguiente paso podría ser sustituir las pirámides con un robot móvil para mejorar la simulación.
Co-autores del estudio han sido los investigadores posdoctorales Bin Liu, que dirigió los experimentos iniciales, y Ristroph Leif, que desarrolló la teoría de la estabilidad junto al profesor de Courant Stephen Childress. Otra co-autora, Annie Weathers, estudia ahora mecánica en la Universidad de Texas, pero antes tomó algunas medidas durante su último semestre como estudiante en la Universidad de Nueva York. La investigación ha sido financiada por la National Science Foundation y del Departamento de Energía de Estados Unidos.
El equipo demostró que cuando un "bicho" con centro de gravedad alto se ladea, los remolinos de aire expulsados desde el otro lado del cuerpo se ajustan automáticamente para mantenerlo en posición vertical.
"Funciona como el equilibrio de un palo de escoba en la mano", explica Jun Zhang, profesor del Instituto Courant y uno de los co-autores del estudio. "Si comienza a caer hacia un lado, es necesario aplicar una fuerza en la misma dirección para mantenerlo en posición vertical."
En el caso de los insectos, son las fuerzas aerodinámicas las que proporcionan esta estabilidad. Las lecciones aprendidas en estos estudios podrían ser utilizadas para el diseño de robots con alas batientes estables y maniobrables.
El misterio de los insectos voladores
Los insectos vuelan moviendo las alas con un movimiento de aleteo. El vuelo de ala fija es un problema físico relativamente simple, pero el sistema de aleteo es más complicado, no sólo para la propulsión, sino también para mantener el equilibrio y mantenerse en alto.
Mientras que se han hecho algunos progresos con alas robóticas, simular un insecto en su totalidad, y no sólo sus alas, es complicado. Si los insectos en vuelo son intrínsecamente estables o inestables es, por lo tanto, todavía una cuestión abierta, explica la American Physical Society.
La elección de la forma de pirámide para este experimento vino dada por otros anteriores, que mostraron que estas figuras pueden sostenerse sobre un flujo de aire. En lugar de hacer que el artilugio volador tenga partes móviles, los científicos utilizaron un altavoz de audio de baja frecuencia para crear oscilaciones verticales en una columna de aire.
Aunque estos bichos están lejos de ser una analogía realista de un insecto, los mecanismos de flujo inestable revelado a través de estos experimentos pueden ayudar a abordar los desacuerdos actuales entre los modelos que evalúan la estabilidad intrínseca de los insectos voladores. El siguiente paso podría ser sustituir las pirámides con un robot móvil para mejorar la simulación.
Co-autores del estudio han sido los investigadores posdoctorales Bin Liu, que dirigió los experimentos iniciales, y Ristroph Leif, que desarrolló la teoría de la estabilidad junto al profesor de Courant Stephen Childress. Otra co-autora, Annie Weathers, estudia ahora mecánica en la Universidad de Texas, pero antes tomó algunas medidas durante su último semestre como estudiante en la Universidad de Nueva York. La investigación ha sido financiada por la National Science Foundation y del Departamento de Energía de Estados Unidos.