La biomímesis es el arte y ciencia del diseño inspirado por la naturaleza. Jack Peake examina la tecnología de borde de ataque ondulado con ‘tubérculos’ de la Boomerang 12
“Es una idea ingeniosa”, pensé, mientra puse en pausa la historia de Instagram más de lo normal para hacer una captura de pantalla. “Me pregunto qué dice la patente”.
Gin Gliders acababa de anunciar el Borde de Ataque Ondulado, aunque ya se había visto bastantes veces el año anterior, sobretodo en algunos podios. Era la primera vez que había visto la referencia de un número de patente, así que empecé a leer.
Después de muchas horas a lo largo de varias semanas y de una charla de una hora con Gin Seok Song, fundador de Gin Gliders, salí emocionado de la jerga legal y de los dibujos.
Para la mayoría, el conocimiento del piloto y la práctica son más importantes que entender las alas que volamos, así como no hace falta entender cómo está diseñada una bicicleta para montarla. Solo queremos divertirnos, estar seguros y vernos en el cielo. Pero para profundizar, y para los que se inician en el deporte, empecemos con la forma general de una vela de parapente en vuelo.
En parte, la forma se mantiene con las costillas de tela que la dividen en cajones, junto con las cintas transversales que funcionan como los cuchillos de un puente, salvo que no hay miembros en compresión. El aire que fluye hacia la vela hace que tenga el volumen más grande posible: redondo. Imagínate llenar una bolsa plástica de agua. Al principio, la bolsa está plana, pero a medida que se llena, se hace más esférica, un efecto llamado hinchamiento.
Las velas son así. La carga de la estructura interna y la tensión a lo largo de la envergadura de la vela (de punta a punta) contrarrestan el efecto y adoptan la forma de velas de los dibujos infantiles de nubes, o la forma de globos aerostáticos, a superficies relativamente lisas.
Si vemos la parte delantera de la vela y entre esos dos globos / cajones, existe una hendidura en forma de V por la que el aire se acelera y cae. Mientras más se tarde en caer, más sustentación generará y el ala podrá volar más eficientemente (se reduce la resistencia parásita).
Aquí entra el tubérculo, una palabra graciosa con la que solo los biólogos marinos están familiarizados y que parecen chichones en las aletas de las ballenas. Los tubérculos crean un borde de ataque ondulado, en el que algunas partes están más adelante que otras cuando se ve desde arriba, parecido a un cuchillo de sierra. En esencia, estos canalizan el flujo que entre hacia varias hendiduras y el tubérculo ligeramente puntiagudo lo dispersa hacia un lado o hacia el otro .
Debido a que parte del aire debe viajar hacia los canales más estrechos, debe acelerar para hacerlo. Los flujos más rápidos tienen menor presión y al haber menor presión, hay mayor sustentación. Esto tiene varias implicaciones.
Biomímesis
Si nos alejamos de nuestro deporte un momento, la investigación relacionada con esta idea data de décadas y a pesar de que su uso en la aeronáutica tiene al menos una patente en EEUU que se venció a mediados de 2020, se ha usado poco. Una investigación de 2008 demostró ser prometedora para mejorar la sustentación de las hélices de turbinas eólicas. Esa investigación estaba basada en la obra de los mismos dueños de la patente, que publicaron un libro en inglés: Flow Control Through Bio-inspired Leading Edge Tubercles. Hay muy pocas personas trabajando en este problema.
Tanto leer hizo que me volviera a interesar en la mecánica de fluidos. A pesar de ser fractales por naturaleza, debido a que un fenómeno a pequeña escala se comporta como uno a gran escala (imagina un modelo dentro de un túnel de viento contra un prototipo de tamaño real), la mecánica de fluidos es fascinante porque, en la mayoría de las situaciones, el aire se comporta como el agua. Ambos son fluidos y se aceleran, dan vueltas y forman remolinos de la misma forma. Lo aprendí hace 15 años y todavía pienso en ello. Desde luego, la densidad y viscosidad son diferentes, pero su comportamiento puede explicarse y abordarse mediante las mismas teorías y ecuaciones. En cuanto al parapente, hay que empezar en el océano.
Las ballenas jorobadas son ágiles, para ser ballenas. Los científicos creen que parte del secreto es la eficiencia de sus aletas que, como habrás adivinado, tienen tubérculos. Mira la foto y compara la aleta de una ballena jorobada con la Boomerang 12. La investigación de este tema data de al menos 1995, con referencias a obras en la década de 1960. La naturaleza tiene mucho que enseñarnos. La idea de usar diseños e inspirarse de la naturaleza se llama biomímesis y de ahí empezó la innovación de Gin.
El problema
Gin intentaba resolver un problema. Los fabricantes han hecho grandes avances en moldeo y estructura, lo que ha hecho que las alas sean más eficientes. Pero es fácil olvidar que las alas, al igual que todo lo que se fabrica, tienen detalles diminutos y exigencias intrincadas que hacen que sea todo un reto fabricarlas. A medida que la forma de las velas se han hecho más complejas, lo mismo ha sucedido con su creación. Las tolerancias en las alas modernas son menores que antes y el rendimiento resultante se reduce por lo que se convierte en un aumento exponencial en costos.
Gin cree que estas mejoras tienen un límite. Me dijo: “Sin cambios importantes, es casi imposible tener más rendimiento que el del mercado actual, así que buscábamos algo muy nuevo. Finalmente encontramos esta idea”.
Cuando llegaron a este punto, se diversificaron y conversé con el profesor Yuja Kim del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan, Corea del Sur. Durante casi dos años, el esfuerzo de Gin con la universidad, con financiamiento de becas, involucró a casi una docena de estudiantes y vio el nacimiento del Gin Lab, un esfuerzo continuo en busca de la próxima evolución.
Gin también usó celdas de carga (que median la tensión en las líneas), sensores tanto en los arneses como en la vela para evaluar los ángulos de ataque, sensores GPS para medir tasas de planeo y pruebas de vuelo estabilo con estabilo probando configuraciones diferentes para entender los efectos de los cambios en la vida real, más allá de la sensación subjetiva que daban las alas.
Hicieron unos 90 modelos en el túnel de viento y muchas pruebas más, 19 prototipos de tamaño real y un sinfín de modelos computarizados y simulaciones. Lo interesante es que les pareció que el prototipo 15 era el más equilibrado.
En busca del equilibrio
La primera implicación de la tecnología de tubérculos en el parapente tiene que ver con las burbujas de separación, vueltas naturales que suceden por encima de la vela que cambian de tamaño y de ubicación según las condiciones de viento y el ángulo de ataque, el ángulo agudo entre una línea de referencia desde la punta hasta la cola de la vela y el viento relativo.
En los parapentes, las hendiduras en forma de V mencionadas anteriormente es donde se ubican la mayoría. Con los tubérculos, en cuanto al viento se refiere, existen menos cajones por donde dar vueltas, por lo que se reduce la cantidad de burbujas de separación. Esta reducción eficaz es como reducir la cantidad de cajones, pero sin la resistencia no deseada que esto conlleva. Imagínate lo lisa que se ve una vela de competencia contra lo redondeada que se ve una de escuela. Ve la ilustración en la página anterior sacada de la patente de Gin.
Debido al menor número, el ancho y profundidad variable de los tubérculos, y el flujo resultante a lo largo de la cuerda (parte del aire se acelera a través de las hendiduras, parte pasa por encima del tubérculo), el flujo general permanece fijado más tiempo a la vela. Es decir, el flujo se interrumpe apenas lo suficiente para crear una capa límite que es más resistente a la separación. Gin afirma que este promedio sucede a 60% de la cuerda, en comparación al 30% de un modelo sin tubérculos y ello aumenta considerablemente el coeficiente de sustentación (es decir: se reduce la resistencia parásita, por lo que más energía se convierte en sustentación).
Es importante darse cuenta que 60% es una media, por lo que parte del flujo se separa antes y parte, después. Debido a que la separación ahora sucede en puntos diferentes a lo largo de la cuerda, el flujo es menos uniforme y la entrada en pérdida no es precipitada sino un proceso más gradual porque algunos cajones entran en pérdida más pronto que otros en vez de todos simultáneamente. La salida es similar; algunos cajones salen más pronto que otros, lo que hace al ala menos propensa a abatir. Desde luego, por ser una CCC, hay que tener el nivel para volarla.
Segundo, todo esto significa que la velocidad de tasa de caída mínima del ala, la velocidad a la que es óptimo remontar, es inferior sin tubérculos porque el ala puede lograr un mayor ángulo de ataque. Por ser todo el resto igual, una velocidad de tasa de caída mínima menor significa más sustentación. Pero esta idea no solo es una mejora en térmica. Cuando se acelera, los tipos de flujo distintos y el coeficiente de sustentación mayor resultante a lo largo del rango significa que también se puede lograr un ángulo menor, por lo que aumenta la velocidad máxima.
También significa que el alargamiento puede reducirse. Este puede definirse de al menos dos formas, pero la más común en parapente es alargamiento dividido entre superficie. Aumentar el alargamiento hace que aumente la velocidad, y por tanto la sustentación de forma exponencial, por lo que duplicar la velocidad significa cuadruplicar la sustentación, así que las alas con mayor alargamiento pueden hacerse más pequeñas.
Entonces, ¿por qué reducir el alargamiento de una CCC o cualquier otra ala? Reducirlo requiere menos exigencia por parte del piloto, lo que le da más tranquilidad para tomar decisiones y observar (y divertirse). Además, permite al ala hacer giros más cerrados sin perder tanta altura, de gran ayuda en térmicas estrechas. Tal y como hemos oído muchas veces, es el piloto que el hace la gran diferencia y las alas con menor alargamiento son más fáciles de volar.
La palabra del día es equilibrio. Surgió mucho durante mi conversación con Gin: en cuanto al rendimiento y la exigencia del piloto; complejidad física y fabricación (y costo); y la presencia de tubérculos en el borde de ataque que es de aproximadamente 60%. Si Gin hizo un ala que puede tener más rendimiento que antes, puede encontrar un equilibrio para que sea más fácil de volar sin sacrificar las ganancias de rendimiento: un poco menos de alargamiento con mayor eficiencia.
Ganancias de rendimiento
Para asegurarme de no parecer parcial, cabe destacar que los diseñadores en la industria están tomando las mismas decisiones, haciendo las mismas suposiciones y sacrifican lo mismo que Gin en cuanto a rendimiento y al piloto. Un ala demasiado estable para una clase es demasiado movida para otra e incluso con pilotos del mismo nivel, uno podría preferir la dinámica en vez de la seguridad mientras que el otro podría preferir lo contrario. Cada fabricante tiene sus gustos, fórmula y estática que presentan al mercado que es tan ideal para el piloto meta equilibrado con sus costos.
Tercero, y quizás importante para Gin porque se especifica en la patente, los tubérculos de cierto tamaño y separación generan un aumento en la tasa de planeo. Para los más novatos, la tasa de planeo es la distancia horizontal que vuela una aeronave con respecto a la distancia vertical que cae en el mismo tiempo, expresada en condiciones sin viento. Por ejemplo, una tasa de planeo de 9:1 significa que una aeronave vuela 9m por cada metro que cae. Mientras más alta sea esta cifra, es mejor porque significa que puede volar más lejos. En su patente, Gin establece una tasa de planeo de referencia de 11,42:1, que es considerablemente alta. Pero en comparación, esta afirmación es un aumento de 7,934%, un aumento absoluto de 0,91, a 12,32:1. Si usamos datos de las pruebas del túnel de viento de Skywalk publicados en 2016, como porcentaje, es casi un aumento en tasa de planeo del doble al pasar de un arnés carenado a un arnés carenado con cola. Es un cambio absoluto, de más del doble.
Para visualizarlo mejor, la diferencia entre el ala de base y la Boomerang 12 significa poder recorrer una zona circular mayor en busca de ascendencia o del aterrizaje en concepto de casi 17%. A 2000m AGL (sobre el suelo) quiere decir que sería recorrer 1,8km más que antes. Junghun Park, piloto PWC para Gin se pasó el aterrizaje porque no anticipó este planeo adicional durante uno de sus primeros vuelos con el ala.
En la Boomerang 12, los pilotos astutos notarán que tiene menos cajones que la versión anterior. Me parece que es principalmente debido a la menor envergadura porque en realidad, el tamaño promedio difiere de apenas 2mm. En la Boomerang 11 talla S (85-100kg), el ancho promedio de los cajones era de 119mm. En la Boomerang 12 talla S (80-95kg), el promedio es de 121mm. Según Gin, la posición de las bocas solo cambió ligeramente y la mayor parte de las modificaciones fueron de forma para adaptarse al aumento del rango de velocidades. El diseño del suspentaje no sufrió cambios perceptibles en esta nueva ala.
Las mejoras que hicieron, y esta nueva distinción de la marca, se aplicarán eventualmente a casi todas las alas Gin, incluso a las de escuela y de speedflying. Y, a pesar de que me dijeron que la Griffin 2, que está diseñada a partir de la Bolero 7 EN-A, está demasiado avanzada como para cambiarla, están trabajando en la Bonanza 3 con este borde de ataque y que además, será dos bandas. Gin dijo, “¡Es para esto que trabajo” Incluso esta es dos bandas. Comparamos el rendimiento y es de otra categoría”.
Por una parte, estoy emocionado por lo que significa para el deporte. Debido a que las innovaciones de alto rendimiento eventualmente se aplican a productos de menor rendimiento para los mortales como yo, me emociona ver que se aplique esta tecnología en alas para las que tengo el nivel de volar de forma segura. Para el novato, esto significará que las alas de escuela serán más seguras debido al comportamiento en pérdida y en negativo. Para los cazakilómetros, se agradecerá tener menos responsabilidades de pilotaje y más planeo.
Para mí, la pregunta es, ¿quién quiere comprar mi Bonanza 2?
‘AL FINAL, ES ARTE’
El piloto de pruebas Michael Sigel ayudó a desarrollar el nuevo parapente
“El desarrollo del parapente no es un proceso lineal. Es bastante aleatorio”. Michael Sigel es piloto de prueba para Gin y ha estado involucrado en desarrollar la Boomerang 12 desde el inicio. Este piloto de alto nivel fue uno de los tres que voló la Boomerang 12 y consiguió el podio en la Copa del Mundo de Parapente en Baixo Guandú, Brasil en abril de este año.
Cuando Cross Country conversó con el, explicó: “Al principio pensé que solo era mercadeo. Pero de verdad esta ala tiene algo. Volé la primera ala hace dos años y no estaba nada lista, era horrible de volar. Después, en la Superfinal, vimos que iba bien encaminada y creo que estamos en un buen momento”.
Cuando volvimos a hablar para ponernos al día del proceso de diseño de la Boomerang 12, surgió bastante la palabra “equilibrio”. Por ejemplo, “Podemos cambiar la estabilidad con solo cambiar las varillas. Esto puede influir enormemente, no solo en longitud, sino en el material. Así que, hay 10.000 variables con las cuales jugar y todas podrían ser muy interdependientes”.
En matemática, cuando tienes demasiadas variables de las que puedes resolver, se le llama indeterminado. Michael concordó diciendo: “Sí, así es el parapente. Pero incluso más por las tolerancias de fabricación, de estiramiento, fuerzas y presiones diminutas que no son gran cosa, pero tienen gran influencia en como vuela el ala”.
Por ejemplo, las características de estiramiento de diferentes tipos de líneas puede y de hecho tiene un gran efecto. “Las líneas de materiales diferentes tienen propiedades de estiramiento diferentes. Depende mucho de qué material se use. El comportamiento de un ala cambia por completo si cambias de líneas de Dyneema a Kevlar, o si cambias el diámetro del Kevlar y dónde las cambias”. Añadió: “A veces quieres tener líneas que se estiren, a veces no”.
La escogencia del material de las varillas también es importante. Por ejemplo, ¿por qué Gin decidió usar varillas plásticas en vez de las cada vez más populares varillas de nitinol tan flexibles? Michael dijo que incluso influyen las diferencias de fricción del nitinol y de las diversas varillas de plástico, así como el mercado meta. El nitinol, por ejemplo, es mejor para plegar por cajones, pero a veces genera características de vuelo indeseables.
Para llegar a la Boomerang 12 actual, hubo que hacer 19 prototipos de tamaño real y decidieron usar el 15 como modelo de producción. ¿Por qué siguieron al prototipo 16 si sabían que el 15 era mejor?
Michael dijo: “Empezamos con grandes pasos. Cuando empezamos, el diseñador ya tiene algo en mente, como la cantidad de cajones, por ejemplo, o el alargamiento. Así se empieza y después, estableces más o menos los problemas menores, de ser posible”. Debido a que el ala es refinada, algunos de los últimos prototipos requieren cambios de líneas o ajustes pequeños y no construirlo desde cero”.
Diseñar y probar parapentes de alto rendimiento es extremadamente difícil y no hay muchos que lo hagan. Algo intrigante es que Adrien Hachen, piloto Gin y aerodinamista, pasó de diseñar parapentes para trabajar también para la Copa América. En cuanto a las variables en juego, pareciera que diseñar parapentes de competencia es mucho más complejo que diseñar yates de carrera de clase mundial.
Michael concordó entre risas: “Pareciera haber bastante ciencia que le da forma a las decisiones, pero al final, es arte”.
DE LOS ARCHIVOS: Julio 2008
La primera vez que escribimos del potencial de la tecnología de tubérculos fue en 2008, cuando informamos de la obra del Dr. Frank Fish, profesor de biología en EEUU, que fundó la compañía Whale Power (whalepowercorp.wordpress.com). Inspirado en las aletas pectorales de las ballenas jorobadas, empezó a experimentar con hélices desiguales en turbinas eólicas.
Varios diseñadores de parapente, incluyendo Thomas Rippling de Advance y Hannes Papesh de Nova, en aquel entonces, concordaron que era una idea interesante pero difícil de aplicar en parapentes. Una pregunta era, ¿por qué solo las ballenas jorobadas tenían los tubérculos? Una teoría en aquel entonces – y aceptada desde entonces – es que les permiten mantenerse “inclinadas” mientras hacen giros cerrados y encierran a los peces dentro “redes” de burbujas. El profesor de zoología y consultor esporádico para el diseño de parapentes Adrian Thomas no estaba tan positivo y dijo en ese entonces, “No estaba tan claro si funcionaría en un parapente. Quizás tendría algunas ventajas en térmica, pero ninguna en transición”.
El artículo concluía: “La historia del vuelo está llena de ideas que al principio parecían ridículas. Quien sabe, puede que esta sea una de ellas y en los próximos años todos tendremos velas con borde de ataque ondulado”.
