Francis en #rosavientos: Por qué vuelan las aves en formación de V

Dibujo20140115 spatial synchrony - flight creates a looping motion of air around a bird wings

Ya puedes escuchar el audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre una transcripción del audio y algunos enlaces. Por qué vuelan las aves en formación de V, un resumen: Todo el mundo ha sentido alguna vez turbulencias al volar en un avión. También las hay en una bandada de aves migratorias. Se publica en Nature un estudio aerodinámico del vuelo en formación de V (se usaron ibis criados en cautividad). La posición del cuerpo en la formación y el aleteo de las aves está sincronizado para reducir el gasto de energía y conseguir la mejor ventaja aerodinámica posible. Todo indica que las aves pueden sentir y predecir el patrón de turbulencias del aire causadas por sus compañeros. Esta noticia es una buena excusa para explicar cómo vuelan las aves y los aviones.

El artículo técnico es Steven J. Portugal et al., “Upwash exploitation and downwash avoidance by flap phasing in ibis formation flight,” Nature 505, 399-402, 16 Jan 2014. Recomiendo leer el editorial “V is for vortex,” Nature, 15 Jan 2014, y Florian T. Muijres, Michael H. Dickinson, “Bird flight: Fly with a little flap from your friends,” Nature 505, 295-296, 16 Jan 2014. En español recomiendo “El ibis revela los secretos del vuelo en formación de V de las aves,” Agencia SINC, 15 Ene 2014, y AFP, “Científicos europeos, “asombrados” por la sincronización de vuelo de los ibis. Las aves planean en V sobre las corrientes de aire creadas por las que van delante,” El País, 16 Ene 2014.

Sobre cómo vuelan los aviones recomiendo leer a Yuri, “Así vuela un avión,” La pizarra de Yuri, 16 Dic 2010, que se basa en David Anderson, Scott Eberhardt, “A Physical Description of Flight; Revisited,” Understanding Flight, McGraw-Hill, 2001 [PDF gratis]. Y en este blog “Bernoulli no explica por qué vuelan los aviones (o sobre la circulación alrededor de un ala y cómo los libros de texto a veces se equivocan),” LCMF 24 Feb 2008, y “El efecto de Coanda en una cuchara y cómo funciona el ala de un avión,” LCMF 24 Jul 2010.

Dibujo20140117 downwash conservation momentum - kutta-joukowski theorem - airplane flight

Quien ha volado en avión ha escuchado alguna vez al piloto decir que se ha entrado en una zona de turbulencias. ¿Qué son estas turbulencias? Para entender lo que son las turbulencias hay que explicar por qué vuelan los aviones y los pájaros. La clave para entender la fuerza de sustentación es el ángulo de ataque, el ángulo entre el ala y la dirección del aire. Cuando el ala se mueve por el aire con cierto ángulo de ataque desvía una gran cantidad de aire hacia abajo, el llamado flujo inducido (o downwash en inglés). Según la tercera ley de Newton, toda acción produce una reacción igual y opuesta. La fuerza de sustentación es la fuerza de reacción hacia arriba igual y opuesta al flujo inducido que desvía hacia abajo el aire tras el paso del ala. Un avión comercial grande puede desviar hacia abajo cientos de toneladas de aire por segundo. A mayor velocidad de avance, se logra la misma sustentación con un ángulo de ataque menor. Pero hay un ángulo de ataque crítico, un ángulo máximo a partir del cual el avión entra en pérdida y para recuperar la sustentación el piloto debe ajustar el ángulo de ataque para colocarlo otra vez por debajo del ángulo de ataque crítico. El flujo inducido, la masa de aire que el ala desplaza hacia abajo con relación al resto del aire, se riza formando torbellinos o vórtices que forman una estela turbulenta. Cuando un avión pasa por una zona por la que pasó otro avión hace poco tiempo puede encontrar estas estelas turbulentas y eso es lo que los pilotos llaman una zona de turbulencias.

Dibujo20140117 turbulence - angle of atack - wing stall - airplane flight

En algunas ocasiones, el avión pierde sustentación y le da un susto a algunos pasajeros. ¿Por qué las turbulencias provocan esta pérdida? La tercera ley de Newton causa que el aire bajo el ala se mueva más despacio que por encima del ala y por la ley de conservación de la energía, la ley de Bernoulli en un fluido, la presión en la parte inferior del ala es más grande que en la parte superior. En el borde trasero del ala, el aire pasa de la zona de alta presión debajo del ala a la zona de baja presión encima, lo que hace que el aire se rice sobre sí mismo, produciendo un torbellino o vórtice. Este rizado se produce a lo largo del borde de todo el ala, pero en el extremo del ala, donde la sustentación desaparece porque ya no hay ala, el rizo se hace más apretado, dando lugar a los llamados vórtices de punta de ala o vórtices de von Kárman. Estos torbellinos o vórtices se propagan hacia atrás generando sendas estelas turbulentas. Conforme se alejan del avión estos vórtices crecen y desplazan aire hacia abajo, produciendo un flujo inducido adicional. Cuanto un avión entra en esta región de turbulencia al ala le cuesta más trabajo desplazar aire hacia abajo con lo que el piloto debe reducir la velocidad o salir de esta región si no quiere perder parte de la sustentación. Las alas de los aviones suelen tener en la punta unas pequeñas aletas para minimizar la generación de estos vórtices. Sin embargo, es imposible reducirlas a cero. Estas estelas se disipan en unos cuantos minutos, por ello se recomienda que los aviones vuelen con una separación de varios minutos, lo que no siempre se puede conseguir en la entrada a aeropuertos importantes.

Dibujo20140115 Induced flow velocities caused by the trailing wingtip vortices of the bird ahead

El vuelo de los aviones se puede planificar para que haya mucho espacio entre ellos, pero en las bandadas de pájaros todos van juntos, ¿cómo evitan los pájaros el efecto de estas turbulencias? El mayor problema de la estela turbulenta es para las aves de gran tamaño que se desplazan grandes distancias durante las migraciones. La solución que ha adoptado la Naturaleza es hacer que las aves se distribuyan en una formación en V y que orquesten sus movimientos de forma cuidadosa. Esta semana se ha publicado en Nature un artículo firmado por investigadores europeos, liderados por Steven Portugal de la Facultad Real de Veterinaria de Hatfield, Reino Unido, que explica cómo una formación en V permite evitar el efecto negativo de las estelas turbulentas y además ahorrar energía. En su estudio han realizado medidas con un pequeño GPS que han colocado encima de las aves; este tipo de estudios es difícil porque para leer los datos hay que recuperar el sensor que muchas veces se pierde. Por ello han usado un ave en peligro de extinción, el ibis calvo del norte (Geronticus eremita). Hay varios programas europeos de cría en cautividad y antes de ponerlas en libertad hay que enseñarles las rutas migratorias de sus congéneres salvajes utilizando aviones ultraligeros. Gracias a ellos se han podido tomar las medidas en tiempo real durante el vuelo en formación en V. Según el estudio cada pájaro se coloca en una posición que evita el efecto de la estela turbulenta del pájaro al que siguen y además sincronizan el batir de sus alas para explotar el flujo inducido para lograr una ventaja aerodinámica y un ahorro de energía.

Dibujo20140115 temporal phase of following bird versus distance behind focal bird

En el ciclismo, se dice que un ciclista chupa rueda cuando se coloca detrás de otro para protegerse del viento y ahorrar energía. ¿Ocurre algo parecido con los pájaros en formación en V? La gran diferencia entre las aves y los aviones es que agitan las alas. El aleteo hace que la estela turbulenta oscile hacia arriba y hacia abajo con cierta frecuencia, algo que las aves pueden aprovechar en su vuelo. El nuevo estudio indica que las aves tienen una notable capacidad de sentir y predecir los patrones de las turbulencias del aire causadas por sus compañeros cercanos de tal forma que los pueden aprovechar para reducir su consumo energético. Se han observado dos comportamientos al volar en formación en V. Por un lado, un pájaro se coloca justo detrás del líder, el pájaro más adelantado, batiendo las alas fuera de fase, desincronizadas, para evitar las oscilaciones verticales de la estela turbulenta y además para minimizar los efectos de la corriente descendente de aire del fluido inducido que puede reducir la sustentación del líder; de este forma el líder gasta menos energía. Por otro lado, los pájaros que forman la V, cada uno se coloca detrás y al lado del pájaro de delante, tanto para evitar la estela turbulenta y la correspondiente pérdida de sustentaión, como para aprovechar un impulso de sustentación adicional si aletean en fase con con el pájaro de delante, es decir, si aleatean de forma sincronizada. El patrón de vuelo observado es mucho más complejo que lo que habían predicho los modelos teóricos, pues nunca se había registrado en tiempo real en aves de vuelo libre.

Coda final. El artículo en Nature incluye un vídeo youtube que explica los experimentos realizados y sus conclusiones (en inglés).

10 Comentarios

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PelauPelau

La naturaleza siempre economiza. Ya se sabía que el líder de la bandada es el que más se cansa y cada tanto es reemplazado. Ahora quedó explicadito en detalle. Gracias, Francis.

Pablo

La teoría del vuelo en formación de V aprovechando los torbellinos de borde de ala ya nos la expuso nuestro profesor de aerodinámica en la carrera hará unos 4 o 5 años cuando pasamos de perfiles aerodinámicos a alas finitas. Aunque como dicen el video, aún siendo esta una teoría “vieja”, nunca hasta ahora se ha podido medir aves en libertad dicho efecto.

Hay un párrafo en el que dices: «[…] dando lugar a los llamados vórtices de punta de ala o vórtices de von Kárman.» Ahí creo que estás mezclando dos conceptos que nada tienen que ver entre si. Los torbellinos de von Karman se producen en un rango de Reynolds relativamente bajo cuando el flujo detrás de un objeto se vuelve inestable, y como consecuencia, los torbellinos que antes tenían una posición relativamente estable se desprenden alternativamente de cuerpo.

PabloPablo

Cuando los pilotos avisan de que entran en una zona de turbulencias esas turbulencias nunca son debidas a la estela turbulenta de otros aviones. La estela turbulenta va descendiendo hasta unos 1000 pies por debajo del avión y se disipa a los pocos minutos, aunque es extremadamente peligrosa para otros aviones. De hecho, dependiendo del peso del avión que la genera y del avión tras él, se aplican separaciones tanto en tiempo como en distancia para poder evitarla.

Las zonas de turbulencias de las que avisan los pilotos se deben a corrientes ascendentes/descendentes de aire, o a cambios bruscos en la dirección o velocidad del viento horizontal. Algunas veces se puede predecir que se va a entrar en una de estas zonas bien porque hay información de la existencia de dicha zona de turbulencias por parte de otros aviones que las sufrieron, o porque se va a cruzar una zona propensa a generarla (proximidades de una corriente de chorro o cúmulos por ejemplo).

Saludos y gracias por escribir artículos tan interesantes.

VíctorVíctor

Tal como ha apuntado Pablo, las turbulencias de estela (wake turbulences) son las que apuntas, Francis, en tu interesante entrada. Y son las realmente peligrosas, sobre todo cuando el aparato que las sufre es de menor peso respecto del que las genera, y sobre todo en las fases de despegue o aterrizaje.
Distintas, en cuanto a su formación, son las de chorro (clear-air turbulences).
Saludos

PelauPelau

Suponiendo una bandada de patos (más bien aviones) supersónicos… ¿la configuración en V seguiría siendo positiva o siquiera posible?

Francisco R. Villatoro

Pelau, la configuración en V será útil (ahorra combustible) tanto en vuelo subsónico como en vuelo supersónico, según este estudio Dr. R. K. Nangia, “Exploiting Formation Flying for Fuel Saving – Supersonic Oblique Wing Aircraft,” RKN/AERO/REPORT/2007-10, July 2007 [copia en PDF].

PelauPelau

Gracias, Francis. Yo hubiera jurado que la formación en V era contraproducente debido al “Cono de Mach” que cada avión supersónico arrastra detrás suyo.

Francisco R. Villatoro

Gracias, espaidual. Yo trabajo en ecuaciones en derivadas parciales con soluciones de soporte compacto y han sido aplicadas a modelar bandadas de pájaros, peces y otros animales. Si te interesa el tema, puedes consultar Nicholas A. Mecholsky et la., “Continuum modeling of the equilibrium and stability of animal flocks,” Physica D: Nonlinear Phenomena 241: 472-480, 2012 (arXiv:1201.2694 [nlin.AO]).

PelauPelau

Hablando de patrones en principio azarosos, de los cuales la selección natural privilegia sólo los más positivos para la supervivencia, que terminan programados en el ADN animal como conductas… ¿sería correcto enunciar el flocking como un macroescalar movimiento browniano “simbiótico”?

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