El vol dels insectes és un fenomen de la naturalesa que combina principis aerodinàmics i mecànics en un sistema biològic altament eficient. Aquesta habilitat desenvolupada pels insectes ens serveix d‟exemple per explicar diferents principis de la mecànica de fluids en física.
A diferència dels avions i les aus, els insectes han desenvolupat un mecanisme de vol basat en el batut ràpid i controlat de les ales, cosa que els permet una maniobrabilitat excepcional.
Principis bàsics de l'aerodinàmica
Per comprendre el vol dels insectes és fonamental revisar alguns conceptes bàsics d'aerodinàmica. En un sistema de vol, quatre forces principals interactuen:
- Sustentació (Lift, L) : És la força que contraresta el pes de l'insecte i li permet mantenir-se a l'aire. Es genera gràcies a la diferència de pressió entre la part superior i la inferior de les ales.
- Resistència aerodinàmica (Drag, D) : Oposada al moviment, és causada per la fricció de l'aire contra el cos i les ales de l'insecte. Es pot dividir en resistència induïda i resistència parasita.
- Empenta (Thrust, T) : Generat pel moviment de les ales, impulsa l'insecte cap endavant i li permet canviar de direcció.
- Pes (Weight, W) : La força gravitatòria que actua sobre l'insecte i que ha de ser contrarestada per la sustentació.
Mentre que els avions generen sustentació mitjançant el flux d'aire sobre una ala fixa i les aus depenen del moviment de les ales per produir la força necessària, els insectes depenen del batut continu de les ales per mantenir-se a l'aire.
Equació de Bernoulli
L'equació de Bernoulli estableix que en un fluid en moviment, l'augment de la velocitat de flux està associat amb una disminució de la pressió.
En el vol dels insectes, aquesta equació és clau per entendre la generació de sustentació, ja que les ales en moviment creen diferències de pressió a l'aire circumdant, permetent que l'insecte romangui a l'aire.
Efecte Magnus
L'efecte Magnus descriu com un objecte giratori en un fluid experimenta una força perpendicular a la direcció del flux.
En alguns insectes, el gir i la inclinació de les ales poden induir efectes semblants, modificant la distribució de pressió i millorant la sustentació o el control del vol.
Moviment oscil·latori
Les ales dels insectes no només baten de manera rítmica, sinó que a més a més oscil·len amb patrons específics que maximitzen l'eficiència aerodinàmica.
El moviment oscil·latori de les ales permet generar vòrtexs que contribueixen a la sustentació ia l'empenta, cosa essencial per al vol en petits organismes amb una relació de massa i superfície alar molt diferent de la d'aus i avions.
Tipus de vol en insectes
Els insectes han desenvolupat dues estratègies principals per generar moviment:
Vol directe
En aquest sistema, les ales estan connectades directament als músculs toràcics principals.
Exemples d'insectes amb vol directe inclouen libèl·lules i efímeres, els parells d'ales davanteres i posteriors del qual es poden moure de manera independent.
Aquest tipus de vol proporciona una gran estabilitat i control.
Vol indirecte
La majoria dels insectes, com mosques, abelles i escarabats, utilitzen un mecanisme de vol indirecte. En aquest cas, els músculs no estan connectats directament a les ales, sinó que deformen l'exosquelet toràcic, cosa que provoca el moviment de les ales.
Aquest sistema permet batuts extremadament ràpids i eficients.
Dinàmica de les ales i generació de sustentació
A diferència de les aus i els avions, les ales dels quals generen sustentació principalment en el descens, els insectes generen sustentació tant a la fase descendent com a l'ascendent del batut de les seves ales. Això és degut a tres mecanismes principals:
1. Vòrtex de vora d'atac (LEVs)
Quan les ales dels insectes es mouen ràpidament, generen un vòrtex a la vora d'atac de l'ala. Aquest vòrtex crea una zona de baixa pressió a la part superior de l'ala, cosa que augmenta la sustentació.
A diferència dels avions, que depenen d'un flux d'aire constant sobre les ales, els insectes generen i manipulen aquests vòrtexs per optimitzar l'eficiència del vol.
2. Recaptura d'estela
Algunes espècies d'insectes, com les mosques i les papallones, poden recapturar l'energia de la turbulència generada pel batut d'ales, reutilitzant el flux d'aire per millorar l'eficiència del vol.
Aquest mecanisme és completament diferent del dels avions i les aus, que generalment busquen reduir la turbulència en comptes d'aprofitar-la.
3. Efecte de copejament i gir (Clap and Fling)
Les vespes i les mosques petites utilitzen un mecanisme en què ajunten les seves ales al final del batut ascendent i després les separen ràpidament.
Aquest moviment genera un vòrtex addicional que augmenta la sustentació de manera significativa.
Influència del nombre de Reynolds al vol dels insectes
El nombre de Reynolds (ℜ) és una magnitud adimensional que indica la relació entre les forces inercials i viscoses en un fluid.
En el vol dels insectes, el nombre de Reynolds és relativament baix (ℜ entre 10 i 10,000), cosa que significa que la viscositat de l'aire té un impacte considerable a la seva aerodinàmica. A causa d'aquest fenomen, els insectes depenen de fluxos turbulents i vòrtexs per generar sustentació de manera eficient, a diferència dels avions i les aus, que operen en rangs de Reynolds molt més alts.
Comparació amb aus i avions
El vol dels insectes difereix significativament del vol de les aus i els avions en diversos aspectes clau.
Vegem les diferències més importants:
- Moviment de les ales : Mentre que els insectes baten les seves ales en múltiples direccions i poden aprofitar tant la fase ascendent com la descendent, les aus generen sustentació principalment en el descens i requereixen moviments coordinats de tot el cos. D'altra banda, els avions depenen d'ales fixes amb perfils aerodinàmics dissenyats per maximitzar la sustentació amb un flux d'aire constant.
- Generació de sustentació : Els insectes depenen de vòrtexs i tècniques com el copejo i gir per generar sustentació. Les aus generen sustentació mitjançant la curvatura de les ales i la variació del seu angle d'atac, mentre que els avions depenen de l'aerodinàmica passiva de les ales i motors per mantenir la sustentació.
- Control i maniobrabilitat : Els insectes tenen una maniobrabilitat excepcional gràcies a la seva capacitat per batre les ales de manera independent i generar vòrtex controlats. Les aus, encara que més maniobrables que els avions, tenen limitacions en comparació dels insectes a causa de la necessitat de coordinar grans masses musculars. Els avions, en canvi, depenen de superfícies de control com alerons i timons per modificar-ne la trajectòria.
Curiositats i característiques del vol dels insectes
El vol dels insectes és extremadament variat i ha evolucionat de manera diferent a cada espècie. Algunes dades interessants inclouen:
- Velocitat màxima Alguns insectes, com la libèl·lula, poden assolir velocitats de fins a 50 km/h.
- Hores de vol : Abelles i papallones poden volar durant diverses hores seguides sense aturar-se, mentre que alguns insectes migratoris, com les papallones monarca, poden volar durant dies.
- Distàncies recorregudes La papallona monarca pot recórrer fins a 4,000 km durant les seves migracions anuals.
- Batuts d'ales Alguns insectes, com els mosquits, baten les seves ales a més de 600 vegades per segon, mentre que altres, com les libèl·lules, tenen batuts més pausats i coordinats.