Por qué los búhos son un ‘animal espiritual’ para los ingenieros que construyen aeronaves más silenciosas

• Los investigadores están utilizando la biomimética para diseñar turbomáquinas, aviones y drones más silenciosos.
• El borde posterior de las alas de un búho cambia los patrones de flujo de aire, amortiguando el ruidoso silbido.
• Si los biólogos e ingenieros de animales trabajan juntos, podría conducir a una comprensión más completa de por qué los búhos son voladores prácticamente silenciosos.

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Si los pájaros pudieran ser ninjas, los búhos serían los mejores. Silenciosas y ágiles, las criaturas aladas dejan a su presa sin tiempo para escapar mientras se lanzan en picado para matar. Esta capacidad de sigilo ha inspirado a los científicos a crear un movimiento más silencioso para los diseños de superficies aerodinámicas en las tecnologías cotidianas, incluidos aviones, vehículos, drones y turbinas eólicas.

Investigadores de la Universidad Xi’an Jiaotong en Xi’an, China, utilizaron específicamente las alas de búho como inspiración para las palas de turbomaquinaria más silenciosas, que pueden ser ruidosas cuando el aire pasa por el borde posterior de sus superficies curvas. (Turbomaquinaria es un término que describe máquinas que transfieren energía entre un rotor y un fluido, incluidas turbinas y compresores).

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Los científicos descubrieron que los bordes posteriores dentados (o dientes de sierra) reducen el ruido de la maquinaria giratoria, especialmente cuando tienen una forma más parecida a los bordes de las alas de un búho. El aire que fluye sobre estas formas en forma de peine se rompe en lugar de continuar en línea recta, lo que amortigua el silbido del búho que pasa. Las suaves plumas del resto del ala también pueden absorber el sonido. Los investigadores describen su trabajo en un artículo publicado en la revista Física de Fluidos a finales del año pasado.

“Los búhos nocturnos producen alrededor de 18 decibelios menos de ruido que otras aves a velocidades de vuelo similares debido a la configuración única de sus alas”, dice Xiaomin Liu, uno de los autores del artículo, en un comunicado. presione soltar. “Además, cuando el búho atrapa una presa, la forma de las alas también cambia constantemente, por lo que el estudio de la configuración del borde del ala durante el vuelo del búho es de gran importancia”.

Un “animal espiritual” de ingeniería

Desde los primeros días del vuelo humano, los inventores se han inspirado en las aves. Los hermanos Wright, por ejemplo, reconocieron que las formas de las alas de las aves eran cruciales para despegar, por lo que copiaron esas propiedades en el diseño de su avión mecánico. Sin embargo, los científicos todavía están desconcertados cuando se enfrentan al ruidoso problema de la disonancia del borde de fuga, un fenómeno en el que el aire se mueve ruidosamente sobre el borde trasero de un perfil aerodinámico; es la última parte del ala de un avión que toca el aire cuando pasa sobre él de adelante hacia atrás.

“Diría que el búho ha sido un animal espiritual de larga data, por así decirlo, para la comunidad de acústica del aire”. justin jaworskiun ingeniero mecánico de la Universidad de Lehigh en Bethlehem, Pensilvania, cuenta Mecánica Popular. “[W]Cuando has agotado muchas ideas innovadoras, buscas otros medios de inspiración. Y el búho ha sido una fuente de inspiración durante al menos 80 años”.

El aire se comporta como un fluido cuando fluye por encima y por debajo de una superficie aerodinámica, la superficie que corta el aire a gran velocidad. Para un avión o un pájaro, el perfil aerodinámico es el ala, y para las turbinas eólicas, es la pala giratoria. La forma del perfil aerodinámico es la clave para la generación de ruido aquí. Cuando el aire fluye sobre la parte posterior de un perfil aerodinámico, se vuelve turbulento a lo largo de las superficies superior e inferior del perfil aerodinámico. Cuando esa capa de aire llega a la parte posterior de un perfil aerodinámico de bordes lisos, el borde de fuga, se dispersa y genera ruido. “Los bordes dentados pueden debilitar este proceso en parte al interrumpir el flujo de aire local donde se genera este ruido”, dice Jaworski.

Estudios previos han descubierto que los bordes posteriores dentados o de dientes de sierra reducen el ruido de la maquinaria giratoria, pero cuánto depende de la aplicación final. Algunas turbomaquinarias ya se benefician de este conocimiento. Por ejemplo, Siemens Gamesa, con sede en Hamburgo, Alemania, ha agregado bordes de fuga dentados en sus turbinas eólicas.

“En la actualidad, el diseño de las palas de las turbomáquinas giratorias ha madurado gradualmente, pero la tecnología de reducción de ruido todavía se encuentra en un cuello de botella”, dice Liu en el comunicado de prensa. “Las capacidades de reducción de ruido de las estructuras de diente de sierra convencionales son limitadas, y es necesario proponer y desarrollar algunas nuevas estructuras de borde de salida no suaves para aprovechar aún más el potencial de la reducción de ruido biónico”.

Cómo funcionan los perfiles aerodinámicos

El propio trabajo de Jaworski en dinámica de fluidos, el estudio de líquidos y gases en movimiento, examina qué características de las alas de los búhos son responsables de este vuelo casi silencioso. Su 2020 papel sobre la aeroacústica del vuelo del búho, publicado en el Revisión anual de mecánica de fluidos, examina importantes investigaciones anteriores en este espacio, incluida su propia incursión en cómo la física del flujo de aire podría aplicarse para crear tecnologías más silenciosas. Los científicos suelen realizar experimentos para medir el ruido de los búhos vivos en vuelo, probar sus propios diseños de superficies aerodinámicas que imitan las alas de los búhos y modelar matemáticamente nuevas posibilidades de diseño.

Mientras tanto, Liu y su equipo investigaron siete diseños de borde de fuga diferentes utilizando simulaciones por computadora; crearon una forma aerodinámica virtual representativa de parte del ala de un búho chico, pero cambiaron las formas del borde de fuga. Ejecutaron cada modelo teórico a través de un programa que simulaba el flujo de aire a velocidades utilizadas para turbomaquinaria.

Sus pruebas demostraron que un borde posterior suave crea la mayor cantidad de ruido. Tener una forma puntiaguda de diente de sierra en el borde de fuga reduce un poco el ruido. Sin embargo, cuando los dientes triangulares en el borde del perfil aerodinámico se curvan y se acoplan en dos capas, como las plumas en los extremos del ala de un búho, el modelo del perfil aerodinámico se vuelve significativamente más silencioso.

Los bordes posteriores suaves explican por qué las turbinas eólicas y los aviones son tan ruidosos. En el caso de los aviones, existe una capa límite fluida, una fina capa de aire que cubre cualquier superficie. A medida que el ala corta el aire, la capa se espesa hacia el borde de fuga antes de volver a fusionarse con el aire alrededor del ala. “Es como un montón de pequeños altavoces cuando se acercan al borde posterior”, explica Jaworski. El borde amplifica ese sonido; el aire que fluye sobre el ala en realidad produce un sonido que escuchamos (además del ruido más obvio del motor durante el vuelo).

¿Qué hace que el vuelo del búho sea tan silencioso?

Los búhos son silenciosos para que sus presas, que tienen un oído muy sensible, no se den cuenta de que se acercan. Cuando los búhos vuelan frente a una serie de micrófonos muy sensibles para medir sus niveles de sonido, los investigadores han descubierto que son prácticamente silenciosos, al menos para los oídos humanos. Para averiguar por qué, los científicos han convertido diseños de superficies aerodinámicas inspirados en búhos en modelos teóricos. “Ser capaz de desarrollar esos modelos computacionales simples y obtener información de ellos es útil en términos de hacer modelos mucho más sofisticados que pueden incorporar características más realistas del ala del búho”, dice Jaworski.

David Lentink de la Universidad de Stanford, por ejemplo, estudia el vuelo de las aves y lo traduce en diseño de ingeniería. Lentink investigó las alas de un vencejo, que permanece en el aire durante un año, sin parar, después de abandonar el nido. Come insectos voladores, echa agua sobre sus alas e incluso se aparea en el aire. El equipo de estudiantes universitarios de Lentink luego desarrolló un dron cuyo diseño se basa en el comportamiento de vuelo del vencejo. También creó el PalomaBot, el robot parecido a un pájaro más avanzado que jamás se haya construido debido a su capacidad para imitar el movimiento de las alas de las palomas durante el vuelo. Ha publicado su trabajo sobre la comprensión de la biomecánica del vuelo de las palomas en ciencia robótica en enero de 2020.

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La cuestión es que no estamos ni cerca de desentrañar todos los misterios del vuelo natural. Abundan muchas teorías sobre lo que hace que los búhos sean tan silenciosos, pero nadie sabe exactamente cuál es la combinación de factores. “Si supiéramos eso, estaríamos diseñando cosas silenciosas a tu alrededor, usando lo que sabemos”, dice Jaworski. La gente ha tratado de imitar la geometría festoneada a lo largo del borde de fuga de un ala, pero nadie ha sido capaz de replicar las reducciones de ruido que logran los búhos en un modelo del tamaño de un búho, dice.

Al igual que otras aves rapaces, las alas de los búhos tienen varias partes y arreglos estructurales, y muchas formas y tamaños de plumas diferentes. Tratar de modelar estas partes biológicas complejas, cuyas funciones específicas aún no se comprenden completamente, es un desafío, dice Jaworski. “¿Es una parte del ala lo que los hace tan silenciosos? ¿O es la combinación de varias partes del ala? ¿Y cómo lo están usando? Eso es lo que lo hace difícil. Solo hay una cantidad infinita de diseños para geometrías de borde que podría mirar. Ya sabes, sigue siendo una idealización. Estamos buscando alguna idea que tal vez guíe el próximo programa de investigación”.

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