Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 1

Imagen de: http://www.glidingmagazine.com/FeatureArticle.asp?id=360

Cual pájaros al viento

Carlos Velázquez

Alas fijas y ruedas con rayos

Todos hemos oído algo sobre la historia de la aviación, y sabemos que Da Vinci

hizo un par de bocetos de unas alas para planear y de un prototipo de helicóptero;

también sabemos que los hermanos Wright hicieron su épico primer vuelo el 17 de

diciembre de 1903, inaugurando la época de la aviación moderna. ¿Pero alguna vez

te has preguntado qué es lo que ocurrió en el ínterin de estas dos fechas o por

qué los hermanos Wright utilizaron hélices movidas con motores en un diseño de

alas fijas en lugar de emular el movimiento de las alas de los de los pájaros?

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 2

Figura 1. Planeador de Cayley, el primer planeador funcional que voló casi un siglo antes que el

primer planeador de los hermanos Wright. Nótese que sus alas son fijas y el lugar del piloto

recuerda un bote. Imágenes de:

http://www.rodbearden.com/Elvington%202014/Cayley%20Glider%20replica%202.html

La mayoría de los inventos que trataron de lograr el vuelo antes de los hermanos

Wright fueron concebidos con esta noción de alas móviles y todos fracasaron de

una manera más o menos estrepitosa. El precursor de nuestros modernos

dispositivos voladores (ver figura 1), que invariablemente tienen hélices giratorias o

alas fijas, fue inventado por el notable científico inglés Sir George Cayley que nació

en 1773 en Yorkshire y es recordado como un inventor prolífico. Entre otras cosas

inventó el bote salvavidas, las ruedas de rayos, o sea, el tipo de ruedas que utilizan

las bicicletas, precursores de los rines de los automóviles, las orugas de los

tractores –a las que llamó locomotoras universales– y un tipo de motor de

combustión interna que utilizaba pólvora, sin contar sus contribuciones a la

aeronáutica. Nada mal para alguien que se consideraba sólo un entusiasta. Cayley

fue un fiel representante del espíritu de su época, tiempos de la revolución industrial

inglesa; sin embargo, este notable personaje se diferenció de muchos de sus

contemporáneos por el hecho de que creía que las nuevas ideas e invenciones

debían circular libremente.

El interés de Cayley en el vuelo lo acompañó toda su vida, incluso en sus

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 3

escritos escolares se planteó algunas ideas al respecto. Cayley estudió

sistemáticamente el vuelo desde 1792 y en su madurez identificó las cuatro fuerzas

fundamentales que actúan sobre cualquier objeto en vuelo: peso, sustentación,

empuje y resistencia (ver figura 2); esto es, la fuerza de atracción gravitacional

ejercida sobre la masa del objeto en cuestión o peso. La sustentación siempre es

perpendicular a la trayectoria, y es la fuerza que contrarresta el peso y es generada

por la circulación del aire alrededor a través de las alas; todos hemos observado el

efecto de una fuerza de sustentación cuando sacamos nuestras manos afuera de la

ventana del automóvil, y sabemos que podemos sentir una fuerza hacia arriba o

hacia abajo dependiendo del ángulo que haga nuestra mano y el aire en

movimiento; la resistencia actúa en dirección contraria al desplazamiento de la nave

y es debida a la fricción que se genera entra la nave y la atmósfera. Por último el

empuje siempre actúa en la misma dirección que el desplazamiento de la nave y

esta fuerza debe ser producida por el sistema de propulsión de la nave, que pueden

ser hélices o una propulsión a chorro.

Figura 2. La sustentación es perpendicular al viento relativo, que es paralelo y opuesto a la

trayectoria. http://www.manualvuelo.com/PBV/PBV13.html

Este trascendental análisis le permitió a Cayley desarrollar los primeros planeadores

realmente eficientes y funcionales de la historia, y pronto se dio cuenta de que la

estabilidad de sus modelos aumentaba cuando las alas estaban ligeramente

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 4

inclinadas hacia arriba; a esta inclinación se le conoce como ángulo diedro (ver

figura 3), y es una característica básica de los aviones actuales. El ángulo diedro

funciona debido a que cuando la nave se inclina hacia una de sus alas,

inmediatamente surgirá una fuerza hacia arriba que será mayor en el ala que está

más baja, lo cual tenderá a regresarlo a su posición simétrica original.

Y un invento lo llevó a otro, pues hacer énfasis en la ligereza estructural del

aparato lo llevó a inventar las ruedas con rayos, idénticas a las que utilizan las

bicicletas hoy día. Su modelo fue probado exitosamente en 1804 e incluyó en él

una cola móvil con la que se podía controlar la dirección del vuelo, junto con un

estabilizador horizontal. Este vuelo sería el anuncio de los que pasaría 99 años

después, en 1903, cuando los hermanos Wright fueron capaces de volar en uno de

sus inventos impulsado por motores.

Figura 3. Entre otras cosas Cayley describió la importancia del ángulo diedro que asegura que la

nave tienda a una posición simétrica de equilibrio en lo que se refiere a la inclinación hacia una de

sus alas. Hoy en día es un atributo básico de nuestros aviones

Imágenes de: http://history.nasa.gov/SP-367/f144.htm

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 5

Sueños con alas móviles

La aeronáutica moderna está basada en el principio fundamental de que la

sustentación y el empuje son generados por dos mecanismos separados: alas y

propulsores. En el caso de los planeadores el propulsor es la propia gravedad, y en

el caso de los aviones modernos pueden ser hélices, turbinas o cohetes. Sin

embargo, en el caso del vuelo de las aves, estos sistemas están fusionados en una

sola estructura, sus alas.

Las alas proporcionan a las aves el empuje y la sustentación simultáneamente,

además de la capacidad de maniobrabilidad, y la estabilidad es controlada mediante

la cola. Ésta es la verdadera razón detrás de la complejidad del vuelo de las aves.

Una manera distinta de llegar a la misma conclusión es ver cuáles son los

mecanismos de despegue de los aviones, comparados con los mecanismos de

despegue de las aves. Aunque el campo de la aviación y el vuelo de las aves se

caracterizan por su diversidad, lo más usual en el caso de los aviones consiste en

una aceleración previa en tierra hasta alcanzar una velocidad tal que las alas fijas

generen sustentación por el paso del aire a través de ellas. Esto requiere grandes

pistas de despegue, y es una de las explicaciones del gran tamaño de los

aeropuertos. Por otra parte, muchas aves pueden emprender el vuelo desde el suelo

sin tener que acelerarse previamente, como en el caso de los gorriones y las

palomas; sin embargo siempre que un niño juguetón espanta a las palomas del

parque oímos un gran revoloteo; o sea, escuchamos cómo sus alas chocan

constantemente contra su cuerpo. Esto se debe a que para generar la sustentación

necesaria para volar, tienen que acelerar el aire alrededor de sus alas, y por eso

oímos que las baten violentamente. Una vez que alcanzan suficiente altura para el

vuelo, su gasto de energía disminuye y ya no agitan con tanta fuerza las alas.

Entonces, en el caso de los aviones tenemos que el motor es el que ejecuta

el mayor gasto de energía durante el despegue, mientras que las alas solamente

dirigen la fuerza de sustentación que se genera en ellas. En el caso de las aves, el

ala tiene que jugar el doble papel de generar la sustentación y dirigir correctamente

el aire que circula alrededor de ellas. En conclusión, las alas de las aves son un

fino mecanismo que realiza funciones mucho más complejas de lo que creemos a

primera vista, y sólo hemos sido capaces de volar cuando hemos separado en dos

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 6

partes lo que el ala de un ave realiza de una sola vez.

El camino al ornitóptero

¿Pero esto significa que somos incapaces de lograr construir dispositivos que vuelen

como las aves, generando sustentación y empuje al mismo tiempo con las alas? Los

entusiastas de las alas móviles nunca se han dado por vencidos, y vale la pena

mencionar que el boceto de Da Vinci es de un planeador con alas móviles (figura

4). A una máquina que sea capaz de mantener el vuelo sostenido utilizando alas

móviles se le conoce como ornitóptero, que significa más o menos "alas de pájaro".

Pero con los materiales que existían en la época de Da Vinci no hubiera sido

posible crear un artefacto que pudiera emprender el vuelo. El primer precursor de

los esfuerzos modernos de construir un ornitóptero es Alphonse Pénaud, quien nació

en 1850 en París. Hijo de un almirante de la armada francesa, su intención original

fue seguir los pasos de su padre, pero debido a una coxalgia de la cadera que se

agravó con los años, abandonó estas pretensiones. Sin embargo, sus amplios

conocimientos en matemáticas y su pasión por las novedades pronto lo hicieron

llegar al campo del diseño de nuevas máquinas voladoras.

Figura 4. El ornitóptero de Da Vinci. Imágenes de: http://litaburke.com/tag/ornithopter/

http://discoveringdavinci.tumblr.com/post/74999380873/leonardo-da-vinci-glider-ornithopter-wings

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 7

A Pénaud se le considera el padre del aeromodelismo. Entre sus primeros inventos

destacan helicópteros rudimentarios con los que desarrolló su intuición en el manejo

de las hélices. En el año de 1871 creó el planóforo, pequeño modelo de 51 cm de

largo y 46 cm de envergadura, que era impulsado por una hélice que rotaba por

acción de una banda de goma. Pénaud presentó su modelo a los miembros de la

Societé Aéronautique en una exhibición de vuelo en los parques del Palacio de las

Tullerías de París. El modelo voló 45 metros durante 11 segundos y se consideró un

éxito (ver figura 5). El año siguiente Pénaud construyó un nuevo modelo con alas

móviles, un ornitóptero. Su apariencia es la de los juguetes modernos chinos que

periódicamente se ponen de moda, y al igual que su planóforo, el ornitóptero de

Pénaud estaba impulsado por una banda elástica enrollada.

A pesar de que ambos modelos causaron sensación, desde un primer

momento los esfuerzos se inclinaron hacia el lado del modelo con alas fijas. Esto es

comprensible a la luz del éxito de algunos modelos como el de Cayley, que

utilizaban alas fijas, y además debido a que no se conocía un material que fuera lo

suficientemente ligero y fuerte como para servir de ala móvil a escala real. Tuvieron

que pasar más de cinco décadas para que se diera el siguiente paso, que ocurrió

en 1929 cuando Alexander Lippisch, pionero alemán de la aeronáutica, retomó la

idea de construir un dispositivo con alas móviles. A Lippisch se le recuerda entre

otras cosas por ser el primero en diseñar un avión con propulsión con cohetes,

además de incontables diseños de aviones.

Figura 5. El planóptero de Pénaud, introdujo la noción de una nave con empuje generado por una

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 8

hélice. El ornitóptero de Pénaud, impulsado por una cinta de caucho elástica. Imágenes de:

http://aerostories.free.fr/precurseurs/penaud/planophore.JPG

http://www.flyingmachines.org/pen6.jpg

Para el momento en que Lippisch diseñaba sus modelos, pensar en un dispositivo

que sólo pudiera volar sin llevar un conductor a bordo sonaba absurdo, y por lo

tanto su ornitóptero tenía la maravillosa cualidad de ser un dispositivo pilotado,

además de estar enteramente propulsado por fuerza humana (figura 6). Lippisch

reportó que su dispositivo pudo realizar vuelos exitosos, sin embargo, hoy ha

surgido controversia al respecto. Sea como fuere, después de este notable esfuerzo,

Lippischle dedicó tiempo a nuevos diseños de ornitópteros pero de menores

dimensiones, sin piloto e impulsados mediante motores. Invirtió en esta labor una

cantidad considerable de recursos y tiempo, y el vuelo más largo de sus aparatos

fue de ¡16 minutos!

Figura 6. Los ornitópteros de Alexander Lippisch. Imágenes de:

http://www.ornithopter.org/history.manned.shtml

Pero los esfuerzos de Lippisch se vieron interrumpidos por su participación en la

guerra. La estafeta en el desarrollo de los ornitópteros fue retomada por Adalbert

Schmidt, otro apasionado alemán de la aviación. Schmidt fue diseñador de la

compañía H&G Pause Modelwerk, y diseñó aviones de ala fija que se produjeron a

escala comercial. Sin embargo creyó firmemente que el futuro de la aviación

deportiva a la que él era aficionado, se encontraba en los aviones de alas móviles.

Su interés por los ornitópteros se remonta a 1919, pero fue hasta después de los

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 9

trabajos de Lippisch cuando Schmidt tuvo las suficientes bases y confianza para

crear uno propio. El ornitóptero diseñado por Schmidt pesaba 60 kg y tenía una

envergadura de 12 metros (figura 7). Su diseño se diferenciaba de los demás por el

movimiento rotatorio de las alas, en lugar de hacerlo solamente hacia arriba y hacia

abajo, y por lo tanto imitaba mejor el movimiento de las aves. Schmidt finalmente

probó su prototipo el 26 de junio de 1942 en las afueras de Munich, y con él logró

volar a una altura promedio de 20 metros una distancia de ¡900 metros!, sin duda

un gran vuelo para este tipo de aeronave.

Figura 7. Schmid y sus ornitópteros. Imágenes de:

http://www.ornithopter.org/history.manned.shtml

El único reparo que se puso al vuelo de este ornitóptero fue que para lograr su

despegue tuvo que ser impulsado por fuera, pero Schmidt pronto corrigió esta

situación agregándole un motor a su diseño, además de un tren de aterrizaje, con

lo que el dispositivo fue capaz de despegar y aterrizar por sí mismo. En diseños

posteriores logró la notable velocidad de ¡120 km/h!, sin embargo, la guerra y el

auge de los aviones de alas fijas hicieron que los logros de Schmid fueran

mayormente ignorados.

Pensando como las aves: el Smartbird,

Aunque actualmente ha habido algunos intentos por retomar el camino del

ornitóptero tripulado, los esfuerzos han sido fragmentarios, aunque vale la pena

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 10

resaltar el trabajo hecho en el Institute for Aerospace Studies de la Universidad de

Toronto (UTIAS) donde está el grupo liderado por De Laurier. Sin embargo, el interés

se ha centrado en los dispositivos de pequeña escala pilotables a control remoto.

Existen modelos de todos los tamaños y han sido pensados como potenciales

robots espía, que pueden vigilar territorios enemigos sin ser detectados por su

parecido con insectos y aves, pero se encuentran lejos de ser satisfactorios --

puedes saber más sobre robots espías y otras de estas innovaciones tecnológicas

en los siguientes textos de Cienciorama: "De robots a cyborgs", "De cyborgs a

espías" y "De cyborgs a héroes".

En 2012, Festo, una compañía alemana especializada en sistemas de control y

automatización industrial, tomó el reto de crear un pequeño robot que pudiera

emular el vuelo de las aves. El proyecto fue parte de otros esfuerzos de crear

nuevos dispositivos biónicos para aprendizaje y el dispositivo fue nombrado

Smartbird (figura 8).

Figura 8. El Smartbird: estructura interna, aspecto general, acercamiento al sistema de propulsión de

las alas, y el Smartbird en vuelo. Imágenes de:

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 11

https://www.youtube.com/watch?v=kA7PNQiHT1Q

A diferencia de otros proyectos, la guía para construir este robot fue en todo

momento el modelo natural, las aves, y en este caso, las gaviotas. La compañía ya

había tomado otros retos en el campo de la biónica, logrando fabricar implementos

tan notables como una trompa de elefante o aparatos voladores más ligeros que el

aire, donde el helio provee la fuerza boyante de los aparatos, y con sistemas de

navegación basados en la anatomía de los calamares o de las mantarrayas.

Sin embargo, el reto de crear un dispositivo que utilizara los mismos principios

de vuelo que las aves, resultó ser más difícil de lo esperado, pero el líder del

proyecto, Markus Fischer, dijo: "Para mí es extremadamente fascinante tratar de

descifrar el vuelo de las aves en términos de ingeniería, es un gran reto. Hasta

ahora, no les ha sido posible a los científicos construir una estructura con forma de

ave que vuele con alas articuladas y emule su forma compleja de vuelo".

El proyecto Smartbird involucró pruebas exhaustivas de varios modelos en

condiciones simuladas de vuelo, la construcción de nuevos circuitos de control y

medición de las condiciones ambientales y un software capaz de tomar decisiones

dependiendo de todas estas mediciones. Con esto se descubrió que se requería un

modelo de capaz de emular las complejas funciones de un ala e inclinarla

dependiendo de las condiciones de viento. Todos los dispositivos hasta antes del

Smartbird no tomaron en cuenta esta característica crítica, que por otra parte no es

sencilla de implementar y controlar.

A pesar de todo, los primeros prototipos hechos con toda esta batería

tecnológica fueron incapaces de mantener el vuelo. La revisión de los parámetros de

construcción reveló que era necesario crear una estructura aún más ligera, y esto

tiene mucho sentido, ya que debemos recordar que los huesos de la mayoría de las

aves son porosos y por lo tanto más ligeros; por otra parte, resultó crítico apegarse

a la apariencia geométrica exterior del ave, de modo que el modelo incluso imita

los ojos de una gaviota con el propósito de aprovechar al máximo su forma

aerodinámica.

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 12

Figura 9. El Smartbird. Imagen de: http://www.newshonk.com/?p=6646

Después de un par de meses de trabajo, el ave fue presentada en su vuelo

inaugural el mes de marzo de 2011. El Smartbird tiene la capacidad de despegar y

aterrizar por sí mismo, además de que los controles en tierra son bastante sencillos

debido a que el software es el que se encarga de ajustar todos los parámetros

para seguir las instrucciones del piloto a control remoto. Después de sus exitosas

pruebas, los directivos de Festo se han ufanado diciendo que han logrado descifrar

el vuelo de las aves; esto es por donde se le vea una exageración, pero lo que sí

es cierto, es que podemos decir que cada vez estamos más preparados para volar

cual pájaros al viento.

Bibliografía

C. Fayette Taylor, Aircraft Propulsion, Smithsonian Institution, Washington D. C., 1971.

Theodore A. Talay, Introduction to the aerodynamics of flight, NASA, Washington, D.C. 1975.

Zachary John Jackowski, Design and Construction of an Autonomous Ornithopter, MIT,

Massachusetts, 2009.

Smartbird, Aerodynamic lightweight design with active torsion, Festo, 2011.

Patrick Hassell, A history of the Development of the Variable Pitch Propeller, RAES, Hamburgo,

2012.

Cual pájaros al viento / CIENCIORAMA 13

Recursos de Internet

http://discaircraft.greyfalcon.us/Adalbert%20Schmid%20Ornithopter.htm

http://www.ornithopter.org/archive.shtml

http://aerostories.free.fr/precurseurs/penaud/page2.html

http://www.flyingmachines.org/pend.html

http://www.heliciel.com/en/helice/helice-propulsion/histoire-helice-avion.htm

http://www.enginehistory.org/Propellers/propstories/propstories.shtml

http://www.temakel.net/ghaviacion.htm

http://www.helis.com/pioneers/1930.php

Videos

FestoSmartBird - Bird flight deciphered: https://www.youtube.com/watch?v=kA7PNQiHT1Q