Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

La acrobacia de la abeja

La acrobacia de la abeja

Nuevos estudios científicos acaban con la afirmación de que teóricamente este insecto no puede volar

Se suele contar una historia que tiene que ver con los límites de la ciencia para explicar todo lo que vemos que involucra a las abejas. Viene a ser casi un dicho hecho: según la ciencia, una abeja no podría volar, pero realmente vuela. La historia tuvo su origen en 1934, cuando el entomólogo francés Auguste Magnan recogió el análisis de un ingeniero, André Saint-Lague, con los cálculos aerodinámicos de la forma de una abeja, comprobando que la fuerza de sustentación de sus alas sería insuficiente para permitir que un cuerpo con ese peso pudiera volar. Simplemente, según el estudio, las alas eran demasiado pequeñas. La propia historia de la aviación muestra cómo los aparatos que hacemos volar tienen unas alas muy grandes, mientras que un simple insecto volador tiene alas pequeñitas. ¿Un misterio que la física no puede resolver?

A menudo se transcribe la historia con un abejorro, que todo el mundo entiende como menos aerodinámico aún que una simple abeja, y se ha llegado a hablar del mito del abejorro para referirse a este fenómeno. La anécdota suele encabezar a menudo artículos sobre la sustentación de los aviones, un tema que también se ha mantenido controvertido, especialmente en la era Internet, con la sobreabundancia de información no necesariamente veraz. A veces, se afirma que simplemente es imposible volar (teóricamente), por más que esté demostrado (prácticamente) que se puede volar sin problemas. Especialmente si uno es un abejorro. Una versión extrema del mito viene a decir que el insecto vuela porque no sabe nada de aerodinámica, porque si se lo contaran, no se atrevería a hacerlo. En otros casos, el integrismo religioso suele emplear este mito para explicar que la ciencia no puede llegar con sus explicaciones a todos los lados. Otras veces, la moraleja tiene que ver con la incapacidad de la miope ciencia de encontrar sentido a las cosas evidentes.

Teoría y práctica

Sin embargo, las afirmaciones que se hacían en 1934 fueron refutadas poco después. Cuando se habla del vuelo de los insectos se enfatiza el asunto del pesado cuerpo, pero normalmente se olvida que no es lo mismo aplicar una fórmula o modelo aerodinámico a una situación de diseño estático, mientras que el diseño de un insecto volante no es una situación estática, sino dinámica. Podemos entenderlo de forma sencilla con una bicicleta: parada, la bicicleta no es estable, y se cae de lado; en movimiento, no. En parado, una abeja no puede volar, -podríamos decir, no planea como un avión de papel, una situación que estáticamente tiene una mejor aerodinámica que una abeja-; en movimiento, la abeja crea una serie de turbulencias que contribuyen a crear fuerzas que explican su sustentabilidad.

¿Sencillo?

Lo cierto es que no tanto, porque aunque cualquier físico entiende la música del asunto, ponerle la letra a la canción no es evidente. Una segunda forma más elaborada del mito del abejorro habla de la incapacidad de los modelos teóricos y sus desarrollos informáticos para poder demostrar lo anterior. Las cuestiones de la mecánica de fluidos, base teórica de la aerodinámica y su complicación teórica (y sobre todo numérica) dificultaron durante mucho tiempo comprobar modelos teóricos que demostraran el poder de los vórtices turbulentos a la hora de entender la sustentación de la abeja. Así, no es raro que de vez en cuando aparezcan noticias de que finalmente se ha resuelto el misterio. A comienzos de noviembre varias notas de prensa se hacían eco de la publicación en la revista Physical Review del trabajo de un matemático argentino, Fernando Minotti, autor de un modelo matemático que explica la formación de esos vórtices turbulentos en torno a las alas del insecto.

Ya en los años 90 se había adelantado mucho en la resolución del problema mediante modelos a escala, como los de Charles Ellington o Michael H. Dickinson (el verdadero desfacedor del entuerto teórico, que en el 2001 publicaba un interesante artículo en Scientific American sobre el asunto). Estos modelos, con las aportaciones de los físicos teóricos, permiten entender los complejos procesos aerodinámicos de una forma más completa. Aunque sin una evidente aplicación tecnológica: el problema para usar la estrategia de los abejorros para volar en vez de los torpes aviones convencionales es conseguir estructuras capaces de realizar cientos de movimientos por segundo, batiendo y rotando simultáneamente las alas, como hace un insecto.

La revista Proceedings of the National Accademy of Sciences (PNAS) incluía el pasado 28 de noviembre un trabajo de Douglas L. Altshuler, William B. Dickson, Jason T, Vance, Stephen P. Roberts, y Michael H. Dickinson, que viene a suponer la puntilla al mito de que las abejas no podrían volar, según la ciencia.

Porque, analizando la forma en que se generan las diferentes fuerzas aerodinámicas con los movimientos reales de las alas, además de realizando simulaciones robóticas, han comprobado que la clave está no sólo en el aleteo en arcos de entre 145 y 165 grados que realizan (el ángulo varía según la especie), con una frecuencia determinada por el peso del animal, con el que causan vórtices capaces de sustentarlos, sino que algunas especies de insectos (como las abejas) tienen una estrategia alternativa: baten en arcos menores, de 90 grados, pero a frecuencias mayores. Y en un cambio sorprendentemente rápido de la dirección del ala al comenzar cada batida.

Los investigadores, por ejemplo, comprobaron cómo volaba una abeja en un medio menos denso que el aire (usaron heliox, un aire en el que el 79% de nitrógeno se sustituye por helio), generando más potencia de sustentación a base de ampliar el arco de batida sin cambiar la frecuencia. A las abejas les sobra potencia para volar. Los autores del artículo especulan que esta habilidad en el toque de ala les permite un amplio rango de potencias, y por lo tanto una mayor versatilidad en el vuelo: algo importante para estos insectos, que a menudo acarrean pesos muy grandes a largas distancias.

Mecánica complicada


Sorprende saber que las explicaciones físicas al vuelo de una abeja no se hayan conseguido hasta hace relativamente poco, debido a la complejidad de los análisis aerodinámicos en situaciones reales. Sin embargo, es una cualidad intrínseca de la Mecánica de Fluidos, una rama de la física que, aunque planteada desde los tiempos de Aristóteles, tuvo que esperar muchos siglos para poder ser formulada. Las ecuaciones que describen el movimiento del aire en torno a un ala fueron planteadas por vez primera por George Cayley en 1837, quien además creó el término «aerodinámica». En esa misma época, el matemático e ingeniero francés Claude Louis Marie Henri Navier y el matemático y físico irlandés George Gabriel Stokes, abordaban cuestiones relacionadas con el movimiento de los fluidos, llegando al conjunto de ecuaciones que llevan su nombre, una serie de ecuaciones diferenciales no lineales que describen el comportamiento de los fluidos. La solución de las ecuaciones de Navier-Stokes en casos particulares suponen una gran dificultad, salvo que se incluyan numerosas simplificaciones. Sin embargo, las condiciones de un vuelo real no permiten tales simplificaciones: la viscosidad del fluido (el aire), sus cambiantes condiciones físicas, las interacciones que se producen por la forma de los objetos (y más si esta geometría cambia, como en el caso del ala batiente de un insecto) impiden un acercamiento teórico sencillo. De la complejidad de ese sistema nos habla, por ejemplo, que muchos de los problemas reales que se presentan en la aerodinámica se suelan resolver con modelos y túneles de viento, estancias en las que se puede registrar con detalle lo que sucede o, en la era informática, con la realización de simulaciones numéricas que dan respuestas parciales a las ecuaciones que describen la física. Así, no es extraño que el humilde vuelo de una abeja hubiera quedado tanto tiempo pendiente de resolución. 

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