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La naturaleza nos enseñó a volar

El gran Leonardo da Vinci, uno de los mayores genios de la humanidad, muy avanzado respecto a la época en que le tocó vivir (1452-1519), se basó en sus observaciones de la naturaleza para dar forma a muchas de sus ideas. En un artículo anterior “Murciélagos y cetáceos, modelos aeronáuticos”,  ya vimos algunas de las ideas de aquel genio y sus diseños de aviones-murciélago, cuando se pensaba que un avión debía parecerse a un pájaro si pretendía volar.

Pero Leonardo se fijó también en las semillas voladoras y en las que al llegar al suelo penetran en él mediante el efecto sacacorchos y, basándose en ese efecto, diseñó un esquema que consistía en un “tornillo” de diez metros de diámetro, que al girar se “enroscaría” en el aire, produciendo el ascenso del conjunto. La idea era que algunos hombres, situados sobre la base del cono inferior, soporte de la estructura, hicieran girar el plano helicoidal, apoyando para ello los pies sobre la plataforma central de la base, que transmitía el giro al eje. Aquella idea no funcionó, por falta de potencia y exceso de peso del “motor humano”, pero sí funcionaba la idea, puesto que contenía prácticamente el fundamento físico en que se sustentan los actuales helicópteros, sobre los cuales también diseñó Leonardo algunos bocetos.

En la optimización de estructuras, el estudio del esqueleto de las aves más poderosas, ha suministrado información, por ejemplo, para el desarrollo de la estructura interna de los planos del avión Airbus A380.

Un 40% de la estructura y de los elementos del A380 son fabricados con compuestos de fibras de carbono y nuevos materiales metálicos. La bóveda superior del fuselaje es de un nuevo material llamado GLARE (acrónimo del inglés GLAss-REinforced), una mezcla de aluminio y fibra de vidrio impregnada en resina, que es un 10% más ligero que el aluminio tradicional, pero mucho más resistente.

En las pruebas de resistencia para distintas estructuras, tratando de optimizar la del ala, que suministrara al avión la máxima resistencia y fiabilidad, con el menor peso posible, lo que supondría más carga útil, menor consumo y costo, etc., al final el resultado que se obtiene es el que corresponde al ala de un águila.

Los huesos de algunas aves no son macizos, sino huecos o casi huecos y están llenos de aire, lo cual los hace ser muy livianos; por ejemplo, el esqueleto de un águila constituye menos del 10% del peso total del animal. Sus características contribuyen a que estas aves sean capaces de volar empleando menos energía que otras y de soportar las fuertes presiones del movimiento de aleteo, especialmente al despegar y al aterrizar.

Para muchas zonas de los modernos aviones, otro ejemplo de material muy adecuado son las estructuras basadas en los panales de abejas. La celda de sección hexagonal brinda la mejor posibilidad de dividir el espacio, permitiendo un máximo ahorro de material, junto con una elevada resistencia a la deformación.

Esta ventaja fue adoptada por los ingenieros aeronáuticos en su búsqueda para ahorrar peso en los aviones. El piso de la cabina de una aeronave se compone en principio de tres capas: la inferior y la superior son de material plástico reforzado con fibra de vidrio. Es en la capa intermedia de apoyo donde se aplicó la estructura de panal de abeja, una placa plástica ultraliviana llamada honeycomb, con la que se logra disminuir el peso neto del avión.

La construcción tipo “sándwich” es una forma de colocar los materiales de uso generalizado en aviación, y con buenas propiedades mecánicas. Se trata de dos capas de fibra de carbono, de vidrio, o de aluminio pegadas a un núcleo. El núcleo suele tener forma de panel de abeja, fabricado en aluminio o resinas; la estructura “sándwich” aguanta con éxito las cargas que impone la flexión (compresión y tracción), y el núcleo soporta esfuerzos cortantes con facilidad. Su aplicación se centra en superficies de control de vuelo y en los suelos de cabina del avión.

¿Y la cuestión de “la piel” del  avión? Una manera de reducir el impacto debido al roce con el aire podría ser el uso del modelo “piel de tiburón” en los aviones. Se ha constatado que estos cetáceos nadan más rápido de lo que correspondería a la forma de su cuerpo y su fuerza impulsora, con notables aplicaciones al movimiento de cualquier cuerpo en el seno de un fluido, como veíamos en un artículo anterior “La naturaleza, una gran enciclopedia para aprender”.

Las compañías Airbus y Lufthansa estudiaron si este mecanismo sería una manera factible de reducir el consumo de combustible de los aviones. Con este fin, la empresa americana 3M desarrolló el riblet, una película delgada provista de un fino perfil aserruchado (imitando la piel del tiburón) con la que se cubrieron algunas partes de un A320 de Lufthansa. Las medidas en vuelo no resultaban suficientemente significativas en cuanto al ahorro, pero entretanto, a través de ensayos del túnel de viento, se constató que estas películas reducen la resistencia por fricción, de un objeto revestido con ese material, entre un 6% y un 8%. De manera que, en teoría, se podría lograr un ahorro importante de combustible.

Las lechuzas son aves de vuelo muy silencioso, casi imperceptible por el oído humano, por ello se está estudiando la estructura de sus alas como base para desarrollar aviones que produzcan menos ruido; para ello, el modelo a seguir son las propias lechuzas, para tratar de descubrir por qué las alas de estas aves producen al volar menos ruido que las pertenecientes a otras especies.

En todas las medidas efectuadas, se ha puesto de manifiesto que estas aves son capaces de volar de manera tan silenciosa gracias a la estructura de sus plumas, pero desde entonces, a pesar de los muchos estudios realizados, nadie ha sido capaz de descifrar con certeza el por qué.

A través del diseño por ordenador se ha tratado de traducir los datos obtenidos en posibles formas de ala de avión, encontrándose que si ésta estuviera recubierta de un material similar a las plumas de una lechuza, el avión generaría menos torbellinos, y así el vuelo sería más silencioso, e incluso más seguro mientras el avión se mantenga en línea de vuelo, pero el problema aparece a velocidades reducidas, como puede ser durante el aterrizaje, puesto que en esas condiciones la estabilidad del aparato disminuye, y las maniobras son críticas, poniendo en riesgo la seguridad.

No obstante, lo encontrado hasta ahora ha tenido ya alguna aplicación práctica, como ha ocurrido en la construcción de las aspas de los ventiladores que se utilizan, por ejemplo, para la refrigeración de ordenadores, que resulta así totalmente silenciosa. Análogamente se está ensayando con las palas de los aerogeneradores, dado que el ruido es una de las objeciones principales a la instalación de parques eólicos en la proximidad de áreas habitadas.

Adolfo Marroquín Santoña

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Sobre el autor

Adolfo Marroquín, Doctor en Física, Geofísico, Ingeniero Técnico Industrial, Meteorólogo, Climatólogo, y desde 1965 huésped de Extremadura, una tierra magnífica, cuna y hogar de gente fantástica, donde he enseñado y he aprendido muchas cosas, he publicado numerosos artículos, impartido conferencias y dado clases a alumnos de todo tipo y nivel, desde el bachillerato hasta el doctorado. Desde este blog, trataré de contar curiosidades científicas, sobre el clima y sus cambios, la naturaleza, el medio ambiente, etc., de la forma más fácil y clara que me sea posible.


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