¿Cómo los pájaros forman bandadas ?

Matemáticos hacen los cálculos para revelar un fenómeno aerodinámico hasta ahora desconocido que tiene aplicaciones potenciales para el transporte y la energía.

Por la Universidad de Nueva York

Una bandada de estorninos dibuja en ave en el cielo. Imagen generada con DALL-E

Al mirar al cielo en las primeras semanas de primavera o de otoño, es muy posible que veas una bandada de pájaros moviéndose al unísono mientras migran a otro lugar. Pero ¿cómo vuelan estas criaturas de una manera tan coordinada, sin chocarse entre ellas, y aparentemente sin esfuerzo?

Parte de la respuesta radica en interacciones aerodinámicas precisas y previamente desconocidas, informa un equipo de matemáticos en un estudio recientemente publicado en la revista Nature Communications. El avance amplía nuestra comprensión de la vida silvestre, incluidos los peces, que se mueven en bancos o cardúmenes y podría tener aplicaciones en el transporte y la energía.

"Esta área de investigación es importante, porque se sabe que los animales aprovechan los flujos, por ejemplo de aire o agua, que dejan otros miembros de un grupo para ahorrar la energía necesaria para moverse o reducir la resistencia— explica Leif Ristroph, profesor asociado del Instituto Courant de Ciencias Matemáticas, en la Universidad de Nueva York (Estados Unidos), y autor principal del estudio. Y añade—: Nuestro trabajo también puede tener aplicaciones en el transporte, como es el caso de la propulsión eficiente a través del aire o el agua; y de la energía, como la recolección más eficaz de la energía del viento, las corrientes de agua o las olas".

Las bandadas pequeñas de pájaros salen beneficiadas a escala aerodinámica.

Los resultados de la investigación muestran que el impacto de la aerodinámica depende del tamaño del grupo de vuelo, y que beneficia a los grupos pequeños y penaliza a los grandes.

"Las interacciones aerodinámicas en bandadas pequeñas ayudan a cada miembro a mantener una determinada posición especial en relación con su vecino líder, pero los grupos más grandes se ven perturbados por un efecto que desaloja a los miembros de estas posiciones y puede causar colisiones", señala Sophie Ramananarivo, profesora de la École Polytechnique de Paris (Francia) y una de las firmantes del artículo en Nature Communications.

Unas gaviotas vuelan en el atolón Alifu Dhaalu de las Maldivas. Desde el punto de vista aerodinámico, los grupos pequeñoa de aves se mueven mejor que los grandes. Cortesía: Asad Photo Maldives

Anteriormente, Ristroph y sus colegas habían descubierto cómo se mueven las aves en grupo, pero sus hallazgos se basaban en experimentos que imitaban las interacciones a dos pájaros. La nueva investigación amplió la indagación para dar cuenta de muchos individuos en vuelo.

Para reproducir las formaciones columnares de las aves, en las que se alinean una detrás de otra, los investigadores crearon aletas mecanizadas que actuaban como alas de pájaro. Las alas se imprimieron en 3D a partir de plástico y se accionaron mediante motores para que aletearan en el agua, lo que reproducía la forma en que el aire fluye alrededor de las alas de las aves durante el vuelo.

Este simulacro de bandada se propulsó a través del agua y pudo organizarse libremente dentro de una línea o cola, como se ve en este vídeo del experimento:

Los flujos afectaron la organización del grupo de diferentes maneras, y a la postre dependía del tamaño del grupo. Para grupos pequeños de hasta cuatro individuos, los investigadores descubrieron un efecto mediante el cual cada miembro recibe ayuda de las interacciones aerodinámicas para mantener su posición con respecto a sus vecinos.

"Si un pájaro se desplaza de su posición, los vórtices o remolinos de flujo que deja el vecino líder ayudan a empujar al seguidor hacia su lugar y mantenerlo allí—explica Ristroph, director del Laboratorio de Matemáticas Aplicadas de la Universidad de Nueva York, donde se llevaron a cabo los experimentos. Y continúa—: Esto significa que los pájaros pueden formar una cola ordenada con un espaciado regular de forma automática y sin esfuerzo adicional, ya que la física hace todo el trabajo”.

Un problema para los que vuelan a la cola de la bandada.

"Sin embargo, en los grupos más grandes, estas interacciones de flujo hacen que los miembros más retrasados se vean empujados y desplazados de su posición, lo que suele provocar la ruptura de la bandada debido a las colisiones entre sus miembros—razona Ristroph. Y añade—: Esto significa que las bandadas con forma muy alargada que se observan en algunas especies de aves no son nada fáciles de formar, y es probable que los miembros más alejados de la cabeza tengan que trabajar constantemente para mantener sus posiciones y evitar chocar con sus vecinos."

Hecho el ensayo, los autores implementaron modelos matemáticos para comprender mejor las fuerzas subyacentes que impulsan los resultados experimentales.

Llegaron a la conclusión de que las interacciones entre vecinos mediadas por el flujo son, en efecto, fuerzas similares a muelles que mantienen a cada miembro en su sitio, como si los vagones de un tren estuvieran conectados por muelles.

Sin embargo, estos resortes actúan en una sola dirección —el pájaro líder puede ejercer fuerza sobre su seguidor, pero no viceversa—, y esta interacción no recíproca significa que los miembros posteriores tienden a resonar u oscilar salvajemente.

Flamencos surcan el cielo de Dubái (Emiratos Árabes Unidos). Cortesía: Kirandeep Singh Walia

"Las oscilaciones parecen ondas que sacuden los miembros hacia delante y hacia atrás y que viajan por el grupo y aumentan de intensidad, provocando que los miembros posteriores choquen entre sí— explica el físico Joel Newbolt, de la Universidad de Nueva York y miembro del grupo de investigación.

El equipo bautizó estos nuevos tipos de ondas con el nombre de flones, que se basa en el concepto similar de fonones que se refiere a las ondas vibratorias en sistemas de masas unidas por muelles y que se utilizan para modelar los movimientos de átomos o moléculas en cristales u otros materiales.

"Nuestros hallazgos plantean, por tanto, algunas conexiones interesantes con la física de materiales, en la que los pájaros en una bandada ordenada son análogos a los átomos en un cristal regular", concluye Newbolt.

• Información facilitada por la Universidad de Nueva York -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones

• Fuente: Newbolt, J. W., Lewis, N., Bleu, M. et al. Flow interactions lead to self-organized flight formations disrupted by self-amplifying waves. Nature Communications (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47525-9