D12 Cámaras de ultra alta velocidad

Tópico

El ciclo alar del insecto ocurre tan rápido —típicamente entre diez y mil veces por segundo— que solo las cámaras de ultra alta velocidad logran capturar su dinámica completa, revelando cómo se mueve el ala del insecto instante a instante dentro de cada ciclo de batido.

Para que esa captura del ciclo alar sea siquiera posible, la cámara tiene que respetar el criterio de Nyquist: la tasa a la que la cámara toma fotogramas tiene que ser, como mínimo, el doble de la frecuencia máxima del ciclo alar que se quiere capturar, porque por debajo de ese mínimo la cámara simplemente no puede distinguir el movimiento real del ala de un movimiento aparente distinto.

En la práctica, sin embargo, ese mínimo de Nyquist no alcanza para ver el ciclo alar con el detalle que interesa: los investigadores usan muchos más fotogramas por cada ciclo alar completo —entre diez y cien— para poder resolver los detalles finos de la rotación pronacional y supinacional del ala, el giro rápido que el ala hace al principio y al final de cada batido.

Aumentar esa misma tasa de captura de fotogramas para conseguir más fotogramas por ciclo alar tiene, sin embargo, un costo: cuanto más rápido captura fotogramas la cámara, menos tiempo de exposición le queda a cada fotograma individual, y ese menor tiempo de exposición significa que cada píxel de la imagen recibe menos fotones de luz, lo que degrada la calidad de la imagen al reducir la relación entre la señal útil y el ruido de fondo.

Ese mismo tiempo de exposición tiene, además, un límite máximo impuesto por el propio movimiento del ala: si el tiempo de exposición es demasiado largo, la imagen del ala aparece borrosa porque el ala ya se movió una distancia apreciable mientras la cámara todavía estaba capturando ese fotograma. Para una punta de ala que se mueve a dos metros por segundo, fotografiada con una escala de cien micrómetros por píxel, el tiempo de exposición tiene que ser menor a cincuenta microsegundos para que la imagen del ala no aparezca borrada.

A partir de la posición angular del ala que se extrae de cada fotograma, es posible calcular, por diferenciación numérica, la velocidad angular y la aceleración angular del ala a lo largo de todo el ciclo alar. Combinando esa aceleración angular con el momento de inercia propio del ala, finalmente se pueden derivar los torques aerodinámicos e inerciales que actúan sobre el ala durante el vuelo del insecto.

Este mismo compromiso entre velocidad de captura y calidad de imagen define, en la práctica, lo que las cámaras de ultra alta velocidad más avanzadas pueden ofrecer hoy para estudiar el ciclo alar del insecto: alcanzan del orden de un millón de fotogramas por segundo si se sacrifica resolución, o unas cien mil fotogramas por segundo si se mantiene una resolución de un megapíxel, dejando al investigador la misma disyuntiva entre velocidad y detalle que atraviesa todo este proceso de medición.

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