El albatros es uno de los viajeros más eficientes en el mundo animal. Una especie, el albatros errante, puede volar casi 500 millas en un solo día, con solo un aleteo ocasional de sus alas. Las aves usan sus formidables envergaduras, midiendohasta 11 pies de ancho, para atrapar y montar el viento.
Los observadores han notado durante siglos que estos gigantes emplumados se mantienen en el aire durante horas, justo por encima de la superficie del océano, elevándose y buceando entre corrientes de aire contrastantes, como si estuvieran montando una montaña rusa de viento lateral, un patrón de vuelo conocido como vuelo dinámico.
Ahora los ingenieros del MIT han desarrollado un nuevo modelo para simular el vuelo dinámico y lo han utilizado para identificar el patrón de vuelo óptimo que un albatros debe tomar para cosechar la mayor cantidad de viento y energía. Descubrieron que, como un albatros, gira o girapara sumergirse y elevarse, debe hacerlo en arcos poco profundos, manteniéndose casi en una trayectoria recta hacia adelante.
El nuevo modelo, dicen, será útil para evaluar cómo los patrones de vuelo del albatros pueden cambiar a medida que cambian los patrones del viento con el cambio climático. También puede informar el diseño de aviones no tripulados y planeadores propulsados por el viento que, si se programan con trayectorias energéticamente eficientespara condiciones de viento dadas, podría usarse para realizar misiones de monitoreo de largo alcance y largo alcance en regiones remotas del mundo.
"El albatros errante vive en el Océano Austral, que no es muy conocido. Es muy difícil llegar allí y hay mucho viento y olas", dice Gabriel Bousquet, un estudiante graduado en el Departamento de Mecánica del MITIngeniería ". La región es extremadamente importante para comprender la dinámica del cambio climático. Con los robots que pueden usar el viento, puede monitorear en tiempo real y obtener datos mucho más densos de lo que podemos ahora. Este es un paso importante para escribiralgoritmos para que los robots puedan usar el viento "
Bousquet es el primer autor de un artículo que informa los resultados del equipo, publicado en la revista interfaz . Sus coautores son Jean-Jacques Slotine, profesor de ingeniería mecánica y ciencias de la información y de cerebro y ciencias cognitivas, y Michael Triantafyllou, el profesor Henry L. y Grace Doherty en Ciencias e Ingeniería del Océano, y profesor de mecánica yingeniería oceánica.
Alza competitiva
El proyecto del equipo se inspiró, en parte, en concursos de vuelo dinámico, en el que los competidores lanzan planeadores desde la cima de las montañas y rastrean la velocidad de cada planeador a medida que desciende, se eleva, luego se dobla y vuelve a descender en un bucle, impulsado por los vientos.
"Estos aviones, sin ningún motor, pueden recorrer más de 500 millas por hora, en un bucle", dice Triantafyllou. "Suena extraño, ¿cómo puedes seguir bombeando energía de lo que parece nada?"
Resulta que los planeadores reciben un impulso al variar las corrientes de viento. Cuando se lanza un planeador desde la cima de una montaña, los vientos fuertes pueden actuar como un propulsor, acelerando el planeador hasta que alcanza una capa protegida de vientos más lentos, con lo cualpuede reorientar su dirección de vuelo antes de subir de regreso a la región de fuertes vientos.
El mismo fenómeno propulsado por el viento se desarrolla en el vuelo del albatros, dice Bousquet, la única gran diferencia es que, en lugar de descender detrás de una montaña, un albatros se eleva sobre el agua.
"La pregunta que vimos fue, dado que el viento es rápido por encima del agua y lento cerca de la superficie, ¿cómo podemos aprovechar estas inhomogeneidades y explotar la energía eólica para volar de manera eficiente?", Dice Bousquet.
Montando el viento
El renombrado físico inglés Lord Rayleigh fue el primero en describir el vuelo dinámico en términos de modelos matemáticos, prediciendo que los albatros deberían volar en una serie de semicírculos de 180 grados en forma de arco a medida que se elevan alternativamente a través de capas de viento fuerte y descienden en capasde poco viento. Este ha sido el entendimiento general, incluso hoy.
Sin embargo, Bousquet y sus colegas llegaron a una conclusión bastante diferente. El equipo primero modeló el campo de viento, elaborando una ecuación relativamente simple para representar el cambio en la velocidad del viento con la altitud. Ellos notaron específicamente el grosor de la capa de corte, quepuede considerarse como la distancia entre una capa de vientos lentos y una capa de vientos rápidos.
Luego usaron un modelo tridimensional para representar el vuelo de un albatros o planeador. Este modelo consiste en ecuaciones de movimiento complicadas que son extremadamente difíciles de resolver, ya que explican las interacciones dentro y entre múltiples capas de la atmósfera.Los investigadores resolvieron esas complicadas ecuaciones utilizando un método llamado optimización numérica. Variaron el grosor de la capa de corte y buscaron el viento mínimo necesario para mantener el vuelo. Descubrieron que cuanto más delgada era la capa de corte, menos viento era necesario para mantener un pájaro en el aireEn otras palabras, cuanto más cerca estén las capas de vientos lentos y rápidos, menos energía debe gastar un albatros para permanecer en el aire.
Como un albatros solo vuela dentro de los primeros 5 a 20 metros sobre el agua, los investigadores lograron simplificar el modelo. Reescribieron las ecuaciones, esencialmente comprimiéndolas en un modelo bidimensional, de una manera que todavía simula con precisión el vuelode un albatros o planeador.
También encontraron, tanto en los modelos numéricos como bidimensionales, que a medida que la capa de cizallamiento se adelgaza, un pájaro puede volar de manera más eficiente si se sumerge y vuela entre las capas de viento en arcos poco profundos en lugar de semicírculos anchos. Bousquet dice estoal principio puede parecer contradictorio.
"Una forma de verlo es que, en cada cruce entre las capas lenta y rápida, se gana algo de velocidad", explica Bousquet. "La mayor velocidad en un solo cruce se gana si se cruza directamente hacia arriba o hacia abajo -eso es lo que sucede con las medias vueltas. Sin embargo, también hay una pérdida de velocidad debido a la resistencia al girar. Por lo tanto, resulta que la métrica importante es la relación entre ganancias y pérdidas. Por lo tanto, es más eficiente ganar un poco, a menudo,como es el caso con giros pequeños, en lugar de muchos, pero raramente, como con medios giros "
El equipo calculó que la trayectoria de vuelo más eficiente desde el punto de vista energético sería volar en arcos extremadamente poco profundos, aproximándose a cero grados de amplitud. Para ver si estos resultados se mantenían en el mundo real, compararon sus predicciones con grabaciones GPS reales tomadas dealbatros en vuelo. Estas grabaciones revelaron que las aves tendían a girar en un ángulo promedio de 60 grados, un arco mucho menos profundo que el semicírculo de 180 grados que la mayoría de los científicos han asumido que siguen los animales.
Slotine dice que las ideas del periódico pueden servir como un mapa para construir aviones no tripulados y planeadores eólicos, un objetivo hacia el cual el equipo está trabajando activamente.
"Si queremos diseñar robots que usen el viento, ahora sabemos que avanzar a lo largo de arcos poco profundos favorece tanto la velocidad de desplazamiento como la extracción eficiente de energía", dice Slotine. "Y resulta que los albatros lo están haciendo de esa manera".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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