
Un ornitóptero ( del griego antiguo ὄρνις ( órnis ) ' ave ' y πτερόν ( pterón ) ' ala ' ) es una aeronave que vuela batiendo sus alas . Los diseñadores buscaron imitar el vuelo batiente de aves, murciélagos e insectos. El término abarca una amplia gama de diseños posibles. Los ornitópteros se construyen típicamente a la escala de los animales que emulan, sin embargo, también se han logrado éxitos experimentales con aeronaves tripuladas de mayor tamaño. Los ornitópteros tripulados generalmente se impulsan mediante motores o por el piloto .
Historia temprana
Algunos intentos de vuelo rudimentarios de los primeros tiempos pueden haber tenido como objetivo lograr el vuelo con alas batientes, pero probablemente solo se logró un planeo. Entre ellos se incluyen los supuestos vuelos del monje católico del siglo XI Eilmer de Malmesbury (registrados en el siglo XII) y del poeta del siglo IX Abbas Ibn Firnas (registrados en el siglo XVII). [ 1 ] Roger Bacon , escribiendo en 1260, también fue uno de los primeros en considerar un medio tecnológico para volar. En 1485, Leonardo da Vinci comenzó a estudiar el vuelo de las aves. Comprendió que los humanos son demasiado pesados y no lo suficientemente fuertes para volar usando alas simplemente unidas a los brazos. Por lo tanto, esbozó un dispositivo en el que el aviador se acuesta sobre una tabla y maneja dos grandes alas membranosas usando palancas de mano, pedales y un sistema de poleas.

El primer ornitóptero exitoso fue construido por un noble y científico polaco de ascendencia italiana, Tytus Liwiusz Boratyni . En 1648, construyó un prototipo impulsado por resortes que levantó a un gato durante un vuelo de prueba. Tytus Boratyni planeaba construir una versión tripulada llamada "Dragón Volador". El proyecto contemplaba numerosos sistemas de rescate, incluido un paracaídas . La parte inferior del fuselaje del ornitóptero debía poder flotar en el agua en caso de un accidente sobre el mar o un lago. Para llevar a cabo el proyecto, solicitó sin éxito financiación para la investigación al rey Władysław IV Vasa . [ 2 ]
En 1841, un herrero kalfa (oficial) llamado Manojlo, que "llegó a Belgrado desde Vojvodina ", [ 3 ] intentó volar con un dispositivo descrito como un ornitóptero ("alas batientes como las de un pájaro"). Al negársele las autoridades el permiso para despegar del campanario de la Catedral de San Miguel , escaló clandestinamente hasta el tejado de la Dumrukhana (oficina central de impuestos de importación) y despegó, aterrizando en un montón de nieve y sobreviviendo. [ 4 ]
Los primeros ornitópteros capaces de volar se construyeron en Francia. Jobert, en 1871, utilizó una goma elástica para impulsar un pequeño modelo de pájaro. Alphonse Pénaud , Abel Hureau de Villeneuve y Victor Tatin también fabricaron ornitópteros impulsados por goma elástica durante la década de 1870. [ 5 ] El ornitóptero de Tatin fue quizás el primero en utilizar la torsión activa de las alas, y aparentemente sirvió de base para un juguete comercial ofrecido por Pichancourt alrededor de 1889. Gustave Trouvé fue el primero en utilizar la combustión interna, y su modelo de 1890 voló una distancia de 80 metros en una demostración para la Academia Francesa de Ciencias. Las alas batían mediante cargas de pólvora que activaban un tubo Bourdon .
Desde 1884 en adelante, Lawrence Hargrave construyó decenas de ornitópteros impulsados por bandas elásticas, resortes, vapor o aire comprimido . [ 6 ] Introdujo el uso de pequeñas alas batientes que proporcionaban el empuje para un ala fija más grande; esta innovación eliminó la necesidad de reducción de engranajes, simplificando así la construcción.
EP Frost fabricó ornitópteros a partir de la década de 1870; los primeros modelos funcionaban con máquinas de vapor, luego, en la década de 1900, se construyó una aeronave de combustión interna lo suficientemente grande para una persona, aunque no volaba. [ 7 ]
En la década de 1930, Alexander Lippisch y el Cuerpo de Aviadores Nacionalsocialistas de la Alemania nazi construyeron y volaron con éxito una serie de ornitópteros propulsados por motores de combustión interna, utilizando el concepto de Hargrave de pequeñas alas batientes, pero con mejoras aerodinámicas resultantes de un estudio metódico.
Erich von Holst , también activo en la década de 1930, logró una gran eficiencia y realismo en su trabajo con ornitópteros impulsados por gomas elásticas. Consiguió quizás el primer éxito con un ornitóptero de ala flexible, diseñado para imitar con mayor precisión el movimiento de las alas de las aves, aunque no se trataba de un ala de envergadura variable como las de los pájaros. [ 8 ]
Alrededor de 1960, Percival Spencer voló con éxito una serie de ornitópteros no tripulados que utilizaban motores de combustión interna con una cilindrada que oscilaba entre 0,020 y 0,80 pulgadas cúbicas (0,33 y 13,11 cm³ ) , y con envergaduras de hasta 8 pies (2,4 m) . [ 9 ] En 1961, Percival Spencer y Jack Stephenson volaron el primer ornitóptero teledirigido propulsado por motor, conocido como el Orniplano Spencer. [ 10 ] El Orniplano tenía una envergadura de 90,7 pulgadas (2300 mm) , pesaba 7,5 libras (3,4 kg) y estaba propulsado por un motor de dos tiempos con una cilindrada de 0,35 pulgadas cúbicas (5,7 cm³ ) . Tenía una configuración biplano para reducir la oscilación del fuselaje. [ 11 ]
Vuelo tripulado


Los ornitópteros tripulados se dividen en dos categorías generales: aquellos impulsados por el esfuerzo muscular del piloto (ornitópteros de propulsión humana) y aquellos impulsados por un motor.
Uno de los primeros experimentadores fue el holandés Vincent de Groof en las décadas de 1860 y 1870.
Hacia 1894, Otto Lilienthal , pionero de la aviación, alcanzó la fama en Alemania por sus exitosos vuelos en planeador, ampliamente difundidos. Lilienthal también estudió el vuelo de las aves y realizó algunos experimentos relacionados. Construyó un ornitóptero, aunque su desarrollo completo se vio truncado por su prematura muerte el 9 de agosto de 1896 en un accidente de planeador.
En 1929, un ornitóptero propulsado por energía humana, diseñado por Alexander Lippisch (diseñador del Messerschmitt Me 163 Komet ), voló una distancia de 250 a 300 metros (800 a 1000 pies) tras ser remolcado. Dado que se utilizó un remolque, algunos cuestionaron si la aeronave era capaz de volar por sí sola. Lippisch afirmó que la aeronave estaba volando, no realizando un planeo prolongado. (Para resolver esta cuestión, sería necesaria una medición precisa de la altitud y la velocidad a lo largo del tiempo). La mayoría de los ornitópteros posteriores propulsados por energía humana también utilizaron un remolque, y los vuelos fueron breves simplemente porque la fuerza muscular humana disminuye rápidamente con el tiempo.
En 1942, Adalbert Schmid realizó un vuelo mucho más largo de un ornitóptero impulsado por energía humana en Munich-Laim. Recorrió una distancia de 900 metros (3000 pies) , manteniendo una altura de 20 metros (65 pies) durante la mayor parte del vuelo. Posteriormente, esta misma aeronave fue equipada con un motor de motocicleta Sachs de tres caballos de fuerza (2,2 kW) . Con este motor, realizó vuelos de hasta 15 minutos de duración. Más tarde, Schmid construyó un ornitóptero de 10 caballos de fuerza (7,5 kW) , basado en el planeador Grunau-Baby IIa , que voló en 1947. La segunda aeronave tenía paneles exteriores de las alas batientes. [ 12 ]
El ingeniero francés René Riout dedicó tres décadas a la creación de ornitópteros de alas batientes. En 1905 inventó sus primeros modelos. En 1909 ganó la medalla de oro en el concurso Lépine con un modelo a escala reducida. En 1913 trabajó en el desarrollo de un modelo encargado por un piloto, el Dubois-Riout. Las pruebas se interrumpieron en 1916. En 1937 finalizó el Riout 102T Alérion , sin duda el ornitóptero de alas batientes tripulado más exitoso hasta la segunda década del siglo XXI. Finalmente, las conclusiones de las pruebas en el túnel de viento no fueron favorables a la continuación del proyecto. [ 13 ] [ 14 ]

En 2005, Yves Rousseau recibió el Diploma Paul Tissandier , otorgado por la FAI por sus contribuciones al campo de la aviación. Rousseau intentó su primer vuelo impulsado por la fuerza muscular humana con alas batientes en 1995. El 20 de abril de 2006, en su intento número 212, logró volar una distancia de 64 metros (210 pies) , observado por funcionarios del Aero Club de France. En su intento número 213, una ráfaga de viento provocó la rotura de un ala, causando al piloto graves lesiones y paraplejia . [ 15 ]
Un equipo del Instituto de Estudios Aeroespaciales de la Universidad de Toronto , dirigido por el profesor James DeLaurier , trabajó durante varios años en un ornitóptero tripulado propulsado por motor. En julio de 2006, en el aeródromo Bombardier de Downsview Park en Toronto , la máquina del profesor DeLaurier, el Ornitóptero UTIAS n.° 1 , realizó un despegue asistido por un motor a reacción y un vuelo de 14 segundos. Según DeLaurier, [ 16 ] el motor a reacción era necesario para el vuelo sostenido, pero las alas batientes realizaban la mayor parte del trabajo. [ 17 ]
El 2 de agosto de 2010, Todd Reichert, de la misma institución, pilotó un ornitóptero propulsado por energía humana llamado Snowbird . La aeronave, con una envergadura de 32 metros (105 pies) y un peso de 42 kilogramos (93 libras), estaba construida con fibra de carbono , madera de balsa y espuma. El piloto se sentaba en una pequeña cabina suspendida bajo las alas y accionaba con los pies una palanca para operar un sistema de cables que hacían que las alas se movieran hacia arriba y hacia abajo. Remolcado por un coche hasta el despegue, el ornitóptero mantuvo el vuelo durante casi 20 segundos. Recorrió 145 metros (476 pies) con una velocidad media de 25,6 km/h (15,9 mph) . [ 18 ] En el pasado se habían realizado vuelos similares remolcados, pero la mejora en la recopilación de datos verificó que el ornitóptero era capaz de volar por sí mismo una vez en el aire. [ 19 ]
Aplicaciones para ornitópteros no tripulados
Dado que los ornitópteros pueden diseñarse para imitar aves o insectos, podrían utilizarse en aplicaciones militares, como el reconocimiento aéreo, sin alertar al enemigo de que están siendo vigilados. Se han realizado vuelos con varios ornitópteros equipados con cámaras de vídeo, algunos de los cuales pueden mantenerse suspendidos en el aire y maniobrar en espacios reducidos. En 2011, AeroVironment presentó un ornitóptero pilotado a distancia con la apariencia de un colibrí de gran tamaño para posibles misiones de espionaje.
Bajo la dirección de Paul B. MacCready (conocido por el proyecto Gossamer Albatross ), AeroVironment desarrolló un modelo radiocontrolado a media escala del pterosaurio gigante Quetzalcoatlus northropi para la Institución Smithsonian a mediados de la década de 1980. Fue construido para protagonizar la película IMAX On the Wing . El modelo tenía una envergadura de 5,5 metros (18 pies) y contaba con un complejo sistema de control de piloto automático computarizado, al igual que el pterosaurio de tamaño real dependía de su sistema neuromuscular para realizar ajustes constantes en vuelo. [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]
Los investigadores esperan eliminar los motores y engranajes de los diseños actuales imitando con mayor precisión los músculos de vuelo de los animales. Robert C. Michelson, del Instituto de Investigación de Georgia Tech, está desarrollando un músculo químico alternativo para su uso en aeronaves de alas batientes a microescala. Michelson utiliza el término " entompóptero " para este tipo de ornitóptero. [ 23 ] SRI International está desarrollando músculos artificiales de polímero que también podrían utilizarse para el vuelo de alas batientes.
En 2002, Krister Wolff y Peter Nordin, de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia, construyeron un robot de alas batientes que aprendió técnicas de vuelo. [ 24 ] El diseño de madera de balsa se basó en una tecnología de software de aprendizaje automático conocida como algoritmo evolutivo lineal de estado estacionario . Inspirado en la evolución natural , el software "evoluciona" en respuesta a la retroalimentación sobre su desempeño en una tarea determinada. Aunque confinado a un aparato de laboratorio, su ornitóptero desarrolló un comportamiento para lograr la máxima fuerza de sustentación sostenida y el movimiento horizontal. [ 25 ]
Desde 2002, el profesor Theo van Holten ha estado trabajando en un ornitóptero que se construye como un helicóptero . El dispositivo se llama "ornicopter" [ 26 ] y se construyó construyendo el rotor principal de manera que no tuviera par de reacción.
En 2008, el aeropuerto de Ámsterdam-Schiphol comenzó a utilizar un halcón mecánico de aspecto realista diseñado por el cetrero Robert Musters. Este robot con forma de ave, controlado por radio, se utiliza para ahuyentar a las aves que podrían dañar los motores de los aviones. [ 27 ] [ 28 ]
En 2012, RoBird (anteriormente Clear Flight Solutions), una empresa derivada de la Universidad de Twente, comenzó a fabricar aves rapaces artificiales (llamadas RoBird®) para aeropuertos y las industrias agrícola y de gestión de residuos. [ 29 ] [ 30 ]
Adrian Thomas y Alex Caccia fundaron Animal Dynamics Ltd en 2015 para desarrollar un análogo mecánico de las libélulas que se utilizaría como dron y que superaría en rendimiento a los cuadricópteros. El proyecto está financiado por el Laboratorio de Ciencia y Tecnología de la Defensa, el brazo de investigación del Ministerio de Defensa británico, y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. [ 31 ]
Pasatiempo

Los aficionados construyen y vuelan sus propios ornitópteros. Estos van desde modelos ligeros propulsados por gomas elásticas hasta modelos más grandes con control remoto.
El modelo propulsado por goma elástica puede ser bastante sencillo en diseño y construcción. Los aficionados compiten por lograr los tiempos de vuelo más largos con estos modelos. Un modelo de iniciación puede ser bastante sencillo en diseño y construcción, pero los diseños avanzados para competición son extremadamente delicados y difíciles de construir. Roy White ostenta el récord nacional de Estados Unidos para modelos de vuelo en interiores propulsados por goma elástica, con un tiempo de vuelo de 21 minutos y 44 segundos .
Los ornitópteros de juguete comerciales propulsados por gomas elásticas para vuelo libre han estado disponibles desde hace mucho tiempo. El primero de ellos se vendió con el nombre de Tim Bird en París en 1879. [ 32 ] Los modelos posteriores también se vendieron como Tim Bird (fabricados por G de Ruymbeke, Francia, desde 1969).
Los diseños comerciales de aviones radiocontrolados tienen su origen en las gaviotas motorizadas de Percival Spencer, desarrolladas alrededor de 1958, y en el trabajo de Sean Kinkade desde finales de la década de 1990 hasta la actualidad. Las alas suelen estar impulsadas por un motor eléctrico. Muchos aficionados disfrutan experimentando con sus propios diseños y mecanismos de alas. La oportunidad de interactuar con aves reales en su hábitat natural también añade un gran atractivo a este hobby. Las aves suelen ser curiosas y siguen o investigan el modelo mientras vuela. En algunos casos, los aviones radiocontrolados han sido atacados por aves rapaces , cuervos e incluso gatos. Modelos más recientes y económicos, como la libélula de WowWee, han ampliado el mercado, pasando de los aficionados especializados al mercado general de juguetes.
Algunos recursos útiles para los aficionados incluyen el libro "The Ornithopter Design Manual", escrito por Nathan Chronister, y el sitio web "The Ornithopter Zone", que incluye una gran cantidad de información sobre la construcción y el vuelo de estos modelos.
Los ornitópteros también suscitaron interés al ser el tema de una de las pruebas anteriores de la Olimpiada Nacional de Ciencias de Estados Unidos . La prueba ("Ave Voladora") consistía en construir un ornitóptero autopropulsado siguiendo especificaciones precisas, y se otorgaban puntos por un tiempo de vuelo prolongado y un peso reducido. Además, se concedían puntos extra si el ornitóptero se parecía a un ave real.
Aerodinámica
Como demuestran las aves, las alas batientes ofrecen ventajas potenciales en maniobrabilidad y ahorro de energía en comparación con las aeronaves de ala fija, así como la posibilidad de despegue y aterrizaje vertical. Se ha sugerido que estas ventajas son mayores en tamaños pequeños y bajas velocidades de vuelo, [ 33 ] pero el desarrollo de una teoría aerodinámica integral para el batimiento sigue siendo un problema pendiente debido a la compleja naturaleza no lineal de estos flujos de separación inestables. [ 34 ]
A diferencia de los aviones y helicópteros, los perfiles aerodinámicos del ornitóptero realizan un movimiento oscilatorio, en lugar de rotatorio. Al igual que en los helicópteros, las alas suelen combinar sustentación y empuje. Teóricamente, el ala oscilante puede ajustarse a un ángulo de ataque cero en la fase ascendente, lo que facilita su desplazamiento por el aire. Dado que los perfiles aerodinámicos oscilantes suelen generar sustentación y empuje, se minimizan las estructuras que generan resistencia . Estas dos ventajas permiten alcanzar una alta eficiencia.
Diseño de alas
Si los futuros ornitópteros motorizados tripulados dejan de ser aeronaves "exóticas", imaginarias e irreales y comienzan a servir a los humanos como miembros más jóvenes de la familia de las aeronaves, los diseñadores e ingenieros deberán resolver no solo los problemas de diseño de las alas, sino también muchos otros relacionados con su seguridad y fiabilidad. Algunos de estos problemas, como la estabilidad, la controlabilidad y la durabilidad, son necesarios para todas las aeronaves. Surgirán otros problemas específicos de los ornitópteros; la optimización del diseño de las alas batientes es solo uno de ellos.
Un ornitóptero eficaz debe tener alas capaces de generar tanto empuje , la fuerza que impulsa la aeronave hacia adelante, como sustentación , la fuerza (perpendicular a la dirección del vuelo) que la mantiene en el aire. Estas fuerzas deben ser lo suficientemente fuertes como para contrarrestar los efectos de la resistencia del aire y el peso de la aeronave.
Los diseños de ornitópteros de Leonardo se inspiraron en su estudio de las aves y concibieron el uso del aleteo para generar empuje y proporcionar el movimiento hacia adelante necesario para la sustentación aerodinámica. Sin embargo, con los materiales disponibles en ese momento, la aeronave sería demasiado pesada y requeriría demasiada energía para producir suficiente sustentación o empuje para el vuelo. Alphonse Pénaud introdujo la idea de un ornitóptero motorizado en 1874. Su diseño tenía potencia limitada y era incontrolable, lo que provocó que se transformara en un juguete para niños. [ 35 ] Vehículos más recientes, como los ornitópteros impulsados por humanos de Lippisch (1929) y Emiel Hartman (1959), eran planeadores motorizados capaces, pero requerían un vehículo de remolque para despegar y es posible que no fueran capaces de generar suficiente sustentación para un vuelo sostenido. El ornitóptero de Hartman carecía del fundamento teórico de otros basados en el estudio del vuelo alado, pero ejemplificaba la idea de un ornitóptero como una máquina similar a un ave en lugar de una máquina que copiara directamente el método de vuelo de las aves. [ 36 ] [ 37 ] En la década de 1960, surgieron ornitópteros motorizados no tripulados de diversos tamaños, capaces de alcanzar y mantener el vuelo, proporcionando valiosos ejemplos reales de vuelo mecánico con alas. En 1991, Harris y DeLaurier realizaron el primer vuelo exitoso de un ornitóptero motorizado pilotado a distancia en Toronto, Canadá. En 1999, un ornitóptero tripulado basado en este diseño voló, capaz de despegar desde pavimento nivelado y realizar un vuelo sostenido. [ 36 ]
Las alas batientes de un ornitóptero y su movimiento a través del aire están diseñadas para maximizar la sustentación generada dentro de los límites de peso, resistencia del material y complejidad mecánica. Un material de ala flexible puede aumentar la eficiencia manteniendo simple el mecanismo de propulsión. En diseños de alas con el larguero suficientemente adelantado del perfil aerodinámico como para que el centro aerodinámico esté detrás del eje elástico del ala, la deformación aeroelástica hace que el ala se mueva de una manera cercana a su eficiencia ideal (en la que los ángulos de cabeceo se retrasan aproximadamente 90 grados con respecto a los desplazamientos de traslación). [ 38 ] Las alas batientes aumentan la resistencia y no son tan eficientes como las aeronaves propulsadas por hélice. Algunos diseños logran una mayor eficiencia aplicando más potencia en el movimiento descendente que en el ascendente, como hacen la mayoría de las aves. [ 35 ]
Para lograr la flexibilidad deseada y el peso mínimo, ingenieros e investigadores han experimentado con alas que requieren fibra de carbono, madera contrachapada, tela y costillas, con un borde de salida rígido y resistente. [ 39 ] Cualquier masa ubicada detrás del empenaje reduce el rendimiento del ala, por lo que se utilizan materiales ligeros y espacio vacío siempre que sea posible. Para minimizar la resistencia y mantener la forma deseada, la elección de un material para la superficie del ala también es importante. En los experimentos de DeLaurier, una superficie aerodinámica lisa con un perfil alar de doble superficie es más eficiente para producir sustentación que un perfil alar de superficie simple.
Otros ornitópteros no necesariamente se comportan como aves o murciélagos en vuelo. Por lo general, las aves y los murciélagos tienen alas delgadas y curvadas para generar sustentación y empuje. Los ornitópteros con alas más delgadas tienen un ángulo de ataque limitado, pero proporcionan un rendimiento óptimo de mínima resistencia para un coeficiente de sustentación determinado. [ 40 ]
Aunque los colibríes vuelan con las alas completamente extendidas, este tipo de vuelo no es factible para un ornitóptero. Si el ala de un ornitóptero se extendiera por completo, girara y aleteara con pequeños movimientos, provocaría una pérdida de sustentación; y si girara y aleteara con movimientos muy amplios, actuaría como un molino de viento, lo que resultaría en un vuelo ineficiente. [ 41 ]
Un equipo de ingenieros e investigadores llamado "Fullwing" ha creado un ornitóptero que tiene una sustentación promedio de más de 8 libras, un empuje promedio de 0,88 libras y una eficiencia propulsora del 54%. [ 42 ] Las alas fueron probadas en un túnel de viento de baja velocidad para medir el rendimiento aerodinámico, demostrando que cuanto mayor es la frecuencia del aleteo, mayor es el empuje promedio del ornitóptero.
En la ficción
Los ornitópteros han sido representados en la ficción varias veces, incluyendo la serie Dune de Frank Herbert , donde son la principal forma de transporte aéreo utilizada por la Casa Atreides en el clima desértico del planeta Arrakis . [ 43 ] [ 44 ]
Véase también
Referencias
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No diría que esta 'Dune' coincide con la visión que tenía al leer el libro. Es mejor. Las imágenes superan mi imaginación: ¡esos ornitópteros!
Lecturas adicionales
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- Azuma, Akira (2006). "La biocinética de volar y nadar". Virginia: Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, segunda edición. ISBN 1-56347-781-5.
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- Anderson, John D. Historia de la aerodinámica y su impacto en las máquinas voladoras. Cambridge: Reino Unido, 1997.
Enlaces externos
- SKYBIRD en YouTube , vuelo de dos minutos de un ornitóptero radiocontrolado de ocho pies.
- Configuraciones de aeronaves
- Ornitópteros