Más vale MAV en compu que cien volando
Ramiro Irastorza: Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (CONICET - UNLP).
Desde la década pasada existe un gran interés por los micro-vehículos aéreos autónomos (MAVs). La meta de los investigadores es desarrollar una nueva generación de MAVs que posean una dimensión máxima de 15 cm, un peso límite de 100 gr, y una autonomía máxima de mas de 90 minutos (los MAVs existentes no se superan los 30 minutos).
Recientes investigaciones, inspiradas en el vuelo de insectos, muestran que el uso de alas flexibles, la correcta cinemática, y la elección de la frecuencia de aleteo son factores importantes para optimizar el consumo de energía. Sergio Preidikman, Julio Massa, y Bruno Roccia de la Universidad Nacional de Córdoba, junto a Balakumar Balachandran, Elias Balaras, Marcos Vanella, Timothy Fitzgerald, y Marcelo Valdez de la Universidad de Maryland (USA) han atacado este problema observando la naturaleza; particularmente algunos insectos voladores y ciertas aves pequeñas.
La razón para inspirarse en la naturaleza parece evidente: los insectos son pequeños, livianos y al parecer muy eficientes a la hora de usar su energía. Aunque los biólogos han estudiado mucho el tema, existen varios aspectos no resueltos en el vuelo con alas batientes, particularmente, el conocido como “hovering” que corresponde a mantenerse suspendido volando en el mismo lugar. En este trabajo, los investigadores intentan explicar mediante simulaciones numéricas realizadas con la ayuda de computadoras la influencia del complejo flujo de aire alrededor de las alas, y de la flexibilidad de las mismas en el rendimiento aerodinámico de cada ciclo de aleteo.
En su evolución natural, los insectos voladores y los pájaros siguieron dos caminos diferentes. Si bien ambos vuelos se basan en alas batientes, la mayoría de las aves no pueden ejecutar ciertos tipos de vuelo como el “hovering”. Un punto curioso y complejo es que en la mayoría de los insectos las alas carecen de músculos y por consiguiente no poseen “actuadores” que permitan el control interno de la misma. En esta dirección apunta la pregunta que se proponen responder los investigadores: ¿Cómo afecta la performance aerodinámica de un ciclo de aleteo la flexibilidad estructural del ala y cuál es el efecto del número de Reynolds del flujo de aire?
El número de Reynolds (Re) es un número adimensional que caracteriza el flujo: un Re grande corresponde a flujos donde dominan las fuerzas de inercia (proporcionales a la velocidad y a la densidad del flujo), mientras que un número Re bajo es típico de flujos donde dominan las fuerzas disipativas (proporcionales a la viscosidad del flujo). Para comenzar a entender el fenómeno aeroelástico asociado a un ala flexible, los investigadores desarrollaron, en una primera etapa, simulaciones numéricas en dos dimensiones. El modelo estructural bidimensional del ala consiste de dos barras rígidas A y B unidas en un extremo por un resorte torsional (kt) con comportamiento lineal (ver Figura).
La flexibilidad se encuentra concentrada en un solo punto del sistema, esto es, la rotula elástica donde se unen las dos barras rígidas A y B. El flujo del fluido circundante se considera no lineal e inestacionario, y se estudia para diferentes números de Reynolds bajos y moderados (Re = 75, 250 y 1000).
El movimiento del aleteo de este sistema dinámico está gobernado por un conjunto de ecuaciones que tienen en cuenta la estructura mecánica del sistema y el fluido circundante. En los ciclos de aleteo simulados, se imprimen movimientos traslacionales al brazo B, forzándolo a una oscilación de una frecuencia particular, y se deja libre al brazo A. La dinámica del sistema puede describirse utilizando sólo una coordenada generalizada: el ángulo de deflexión α(t) (ver Figura). También se puede demostrar que α(t) está gobernado por una ecuación equivalente a la que gobierna las evolución temporal de un péndulo doble.
Para evaluar los resultados de este modelo, los autores “miden” en la simulación algunos parámetros aerodinámicos (tales como el coeficiente de sustentación en función de la frecuencia) y los comparan con los obtenidos a partir de una ala rígida (usando solo una barra B). Ha habido especulaciones de que muchos insectos aletean a frecuencias cercanas a la frecuencia natural de la estructura del ala. La frecuencia natural de una estructura es la frecuencia principal con que queda vibrando si se le da un golpe. Esto sugiere que los insectos tomarían ventaja de una resonancia (amplificación del movimiento que se da al oscilar una estructura con una frecuencia igual a su frecuencia natural) del ala para reducir el consumo de energía y aumentar la performance aerodinámica. A pesar de que se probaron varios números de Reynolds, las simulaciones se desestabilizan al operar a frecuencias cercanas a la de resonancia. Esto es posible que se deba a que se concentra la flexibilidad de la estructura en un solo punto (los autores intuyen que se mejoraría con el reemplazo de las barras rígidas por unas barras elásticas).
Como resultado notorio, en este trabajo se encontró que en el rango de frecuencias por debajo de la primer frecuencia natural, la mejor performance se alcanza cuando el ala vibra a una frecuencia cercana a una de las resonancias no-lineales del sistema; en este caso se trata de la resonancia superarmónica de orden tres. Esto es, cuando la frecuencia de oscilación del brazo B (movimiento forzado) llega a un tercio del valor de la frecuencia natural del ala. La flexibilidad entonces puede ser beneficiosa en términos de incrementar la performance aerodinámica. Este comportamiento es común a todos los números de Reynolds investigados.
Trabajo original: Influence of flexibility on the aerodynamic performance of a hovering wing, Journal of Experimental Biology, 212, pp. 95-105 (2009). De la biología a los insectos robots: Desarrollo de un código computacional interactivo para estudiar la cinemática de alas batientes, Mecánica Computacional, 27, pp. 3041-3058 (2008).
Instituciones: Departamento de Estructuras FAMAF, UNC (Argentina). Departament of Mechanical Engineering, University of Maryland (EEUU).
Contacto: Dr. Sergio Preidikman (E-mail: [email protected])