Por favor, comprenda que NO soy un ingeniero aeronáutico. Pero un devoto de Monty Python, Jonathan Corum, quien ES uno, realmente respondió esta pregunta. He copiado su respuesta a continuación. Disfruta los frutos de su trabajo.
Por Jonathan Corum
17 de noviembre de 2003
Después de pasar un tiempo el mes pasado tratando de desarrollar presentaciones gráficas alternativas para proporciones cinemáticas en vuelo alado, decidí intentar responder una de las preguntas intemporales de la ciencia: ¿cuál es la velocidad de velocidad de una golondrina sin carga?
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¿Qué quieres decir con una golondrina africana o europea?
Para empezar, necesitaba datos cinemáticos básicos sobre las especies de golondrina africanas y europeas.
Aunque 47 de las 74 especies de golondrinas en todo el mundo se encuentran en África, 1 solo dos especies llevan el nombre del continente: la golondrina del África occidental (Hirundo domicella) y la golondrina sudafricana (Hirundo spilodera), también conocida como la golondrina de la cueva sudafricana.
Dado que el rango de la golondrina sudafricana se extiende solo hasta el norte de Zaire2, me sentí bastante seguro de que esta era la especie africana no migratoria a la que se hizo referencia en debates anteriores sobre las capacidades de carga de peso comparativas y cooperativas de las golondrinas africanas y europeas. 3
izquierda: golondrina sudafricana
derecha: Golondrina Europea
Fue difícil encontrar datos cinemáticos para ambas especies africanas, pero el granero o la golondrina europea (Hirundo rustica) se han estudiado intensamente, y los datos cinemáticos para esa especie estaban disponibles fácilmente.
Es una simple cuestión de relaciones de peso.
Una encuesta de 54 años de 26.285 golondrinas europeas capturadas y liberadas por la Unidad de Demografía Aviar de la Universidad de Ciudad del Cabo revela que la golondrina europea adulta promedio tiene una longitud de ala de 12.2 cm y una masa corporal de 20.3 gramos.4
Debido a que la frecuencia del latido del ala y la amplitud del ala se escalan con la masa corporal, 5 y los datos cinemáticos de vuelo están disponibles para al menos otras 22 especies de aves, 6 debería ser posible estimar la frecuencia (f) y la amplitud (A) del Golondrina Europea por Una comparación con especies similares. Con esos dos números, será posible estimar la velocidad del aire (U).
Para mantener la velocidad del aire, una golondrina necesita batir sus alas cuarenta y tres veces por segundo, ¿verdad?
En realidad, mal. Al comparar la golondrina europea con especies de aves de masa corporal similar, podemos estimar que la golondrina bate sus alas 18 veces por segundo con una amplitud de 18 cm:
Especie Masa corporal Frecuencia Amplitud
Pinzón cebra 13 g 27 Hz 11 cm
Golondrina Europea 20 g ≈ 18 Hz? ≈ 18 cm?
Carpintero suave 27 g 14 Hz 29 cm
Periquito 34 g 14 Hz 15 cm
Tenga en cuenta que incluso el pequeño Zebra Finch agita sus alas no más de 27 veces por segundo mientras navega.
Si ignoramos la masa corporal y solo observamos especies de aves con una envergadura similar, podemos estimar una frecuencia promedio de 14 latidos por segundo y una amplitud de 23 cm:
Especie Envergadura Frecuencia Amplitud
Periquito 27 cm 14 Hz 15 cm
Golondrina Europea ≈ 28–30 cm ≈ 14 Hz? ≈ 23 cm?
Carpintero suave 31 cm 14 Hz 29 cm
Estornino europeo 35 cm 14 Hz 26 cm
Al promediar los 6 valores, podemos estimar que un Swallow europeo promedio vuela a velocidad de crucero con una frecuencia de aproximadamente 15 latidos por segundo y una amplitud de aproximadamente 22 cm.
Salta un poco, hermano
El artículo del mes pasado sobre The Strouhal Number in Cruising Flight mostró cómo las formas de onda de vuelo simplificadas que la amplitud del gráfico versus la longitud de onda pueden ser útiles para visualizar la relación de Strouhal (fA / U), un parámetro adimensional que tiende a caer en el rango de 0.2-0.4 durante la eficiencia vuelo de crucero
Para un vuelo de Golondrina Europea con nuestra amplitud estimada de latidos de ala de 24 cm, el patrón predicho de vuelo de crucero oscila entre un número de Strouhal (St) de 0.2:
… a un 0.4 menos eficiente:
Si el primer diagrama (St = 0.2) es exacto, entonces la velocidad de crucero del European Swallow sería de aproximadamente 16 metros por segundo (15 latidos por segundo * 1.1 metros por latido). Si el segundo diagrama (St = 0.4) es exacto, entonces la velocidad de crucero del European Swallow estaría más cerca de 8 metros por segundo (15 latidos por segundo * 0.55 metros por latido).
Si nos conformamos con un valor intermedio de Strouhal de 0.3:
Podemos estimar que la velocidad del Swallow europeo es de aproximadamente 11 metros por segundo (15 latidos por segundo * 0,73 metros por latido).
Tres serán el número que contarás
La velocidad del aire también se puede predecir usando una fórmula publicada. Al invertir este punto medio de la relación de Strouhal de 0.3 (fA / U ≈ 0.3), Graham K. Taylor et al. demuestre que, como regla general, la velocidad de un animal volador es aproximadamente 3 veces la frecuencia multiplicada por la amplitud (U ≈ 3fA) .5
Ahora solo necesitamos insertar los números:
U ≈ 3fA
f ≈ 15 (latidos por segundo)
A ≈ 0.22 (metros por latido)
U ≈ 3 * 15 * 0.22 ≈ 9.9
… para estimar que la velocidad de velocidad de una golondrina europea sin carga es de 10 metros por segundo.
Oh si, estoy de acuerdo con eso
Con algunos estudios adicionales, quedó claro que estas estimaciones son precisas, aunque tal vez coincidentes.
Un estudio real de dos golondrinas europeas que vuelan en un túnel de viento de baja turbulencia en Lund, Suecia, muestra que las golondrinas agitan sus alas mucho más lentamente que mi estimación, a solo 7–9 latidos por segundo:
“En comparación con otras especies de tamaño similar, la golondrina tiene una frecuencia de latidos bastante baja y alas relativamente largas”. 7
La velocidad máxima que las aves podían mantener era de 13 a 14 metros por segundo, y aunque el estudio de Lund no analiza el vuelo de crucero en particular, el aleteo más eficiente (7 latidos por segundo) se produjo a una velocidad aérea en el rango de 8 a 11 metros. por segundo, con una amplitud de 90–100 ° (17–19 cm).
Y hubo mucho regocijo
Al promediar los números anteriores y conectarlos a la ecuación de Strouhal para el vuelo de crucero (fA / U = 7 latidos por segundo * 0.18 metros por latido / 9.5 metros por segundo) se obtiene un número de Strouhal de aproximadamente 0.13:
… indicando un patrón de vuelo sorprendentemente eficiente que cae muy por debajo del rango esperado de 0.2-0.4.
Aunque, por supuesto, una respuesta definitiva requeriría más mediciones, promedios publicados de toda la especie de longitud del ala y masa corporal, estimaciones iniciales de Strouhal basadas en esos promedios y comparaciones entre especies, el estudio del túnel de viento de Lund de aves que vuelan a un rango de velocidades, y los números revisados de Strouhal basados en ese estudio me llevaron a estimar que la velocidad de velocidad de crucero promedio de una golondrina europea sin carga es de aproximadamente 11 metros por segundo, o 24 millas por hora.
Referencias
Gracias a todos los que han escrito con comentarios y preguntas. Las respuestas se publican aquí, junto con una estimación revisada del Dr. Graham Taylor, y algunas teorías alternativas.
Chris y Tilde Stuart
Aves de África: de aves marinas a comedores de semillas
MIT Press (1999)
GL Maclean
Roberts ‘Birds of Southern Africa
John Voelcker Bird Book Fund, Ciudad del Cabo, Sudáfrica (1985)
Graham Chapman, John Cleese, Eric Idle, Terry Gilliam, Terry Jones, Michael Palin
Monty Python y el Santo Grial
Python (Monty) Pictures Ltd. (1975)
Unidad de Demografía Aviar
Resultados SAFRING de la golondrina europea (Hirundo rustica)
Departamento de Ciencias Estadísticas, Universidad de Ciudad del Cabo (2002)
Graham K. Taylor, Robert L. Nudds, Adrian LR Thomas
Los animales voladores y nadadores navegan en un número de Strouhal ajustado para una alta eficiencia energética
Nature 425, 707–711 (16 de octubre de 2003)
Correspondencia por correo electrónico con Graham Taylor del Departamento de Zoología de la Universidad de Oxford (22-23 de octubre de 2003)
Kirsty J. Park, Mikael Rosén, Anders Hedenström
Cinemática de vuelo de la golondrina común (Hirundo rustica) en un amplio rango de velocidades en un túnel de viento
The Journal of Experimental Biology 204, 2741–2750