D14 Medición de fuerzas aerodinámicas

Tópico

La fuerza aerodinámica que genera el ala del insecto durante el vuelo se puede medir directamente con una balanza de fuerza de alta sensibilidad, construida con galgas extensométricas o con sensores piezoeléctricos, montada justo debajo del insecto mientras vuela.

El reto principal de esta medición es que, en insectos pequeños, la fuerza aerodinámica que genera el ala tiene una magnitud del mismo orden que las fuerzas inerciales que genera la propia aceleración del ala al moverse, de modo que la balanza termina registrando la suma de ambas fuerzas mezcladas entre sí; separarlas exige aplicar una corrección inercial precisa antes de poder atribuir la fuerza medida solamente a la aerodinámica.

Antes de que esa corrección inercial tenga sentido, la propia balanza de fuerza necesita estar calibrada con una matriz de calibración propia, que es la que convierte las señales eléctricas crudas que producen los sensores en valores reales de fuerza y de momento, a lo largo de los seis grados de libertad posibles del movimiento.

Una vez calibrada y corregida de esta forma, la fuerza aerodinámica total que mide la balanza todavía no distingue cuánta de esa fuerza corresponde a sustentación y cuánta a arrastre: para descomponerla en esas dos direcciones hace falta conocer los ángulos de orientación relativos entre la dirección de vuelo del insecto y el eje sobre el que mide la balanza, ángulos que se obtienen por separado a partir del análisis cinemático 3D del movimiento del ala.

Una vez descompuesta en sustentación y arrastre, cada una de esas dos fuerzas se puede normalizar dividiéndola por la presión dinámica del aire, obteniendo así dos coeficientes adimensionales que permiten comparar los resultados de sustentación y arrastre entre distintas especies de insecto y distintas condiciones de vuelo, sin que el tamaño del insecto ni la velocidad a la que vuela distorsionen la comparación.

Multiplicando la fuerza aerodinámica del ala por la velocidad con la que el ala se mueve en cada instante, se obtiene la potencia aerodinámica instantánea, es decir, el trabajo útil que el ala realiza sobre el fluido en cada ciclo de vuelo. Comparando esa potencia aerodinámica con la potencia muscular total que el insecto invierte para mover el ala, finalmente se puede determinar la eficiencia aeromecánica de todo el vuelo del insecto: qué fracción de la energía que el músculo del insecto gasta termina convertida en trabajo útil sobre el aire.

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