Halcón Peregrino: la Evolución del Aerodinamismo

Benjamín Assael C.

Desafíos de la Ingeniería

Pontificia Universidad Católica de Chile

16, de marzo de 2014

Grupo 69

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Contenido

1. Introducción: El Halcón Peregrino ................................................................................................ 3

1.1 El Animal Más rápido ............................................................................................................... 3

1.2 Un Cazador Letal ...................................................................................................................... 4

2. Características Principales ............................................................................................................. 4

3. Análisis Características Principales ............................................................................................... 6

3.1. Análisis: Membrana Nictitante o “tercer parpado” ................................................................ 6

3.2. Análisis: Tubérculo Óseo en el tracto nasal ............................................................................ 7

3.3. Análisis: Trayecto en espiral logarítmico y Fóveas superficial y profunda ............................ 8

4. Adaptación de las características del Halcón a la Cotidianidad.................................................... 9

4.1. Membrana de Nictitante, la reinvención del limpiaparabrisas................................................ 9

4.2. Tubérculo óseo como deflector del viento .............................................................................. 10

4.3. Disminuir el coeficiente de arrastre sin empeorar el campo visual ...................................... 11

5. Bibliografía ................................................................................................................................... 12

5.1 Fuentes .................................................................................................................................... 12

5.2 Imágenes ................................................................................................................................. 13

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1. Introducción: El Halcón Peregrino

El Halcón Peregrino (Falco Peregrinus) es una especie de ave de la familia Falconidea

de gran tamaño que se encuentra alrededor de todo el planeta. Esta ave tiene entre

alrededor de 17-19 subespecies que varían dependiendo del lugar geográfico. Tiene un

dimorfismo sexual marcado siendo las hembras un poco más grandes que los machos. Se

alimenta mayoritariamente de otras aves y se ha logrado adaptar a todos los climas del

planeta. En varios países se encuentra en peligro de extinción debido al uso de pesticidas

como el DDT, pero gracias a su prohibición y a esfuerzos de varias organizaciones se está

recuperando la población de halcones a nivel mundial.

Esta ave ha sabido posicionarse como un depredador letal, situando en la cima de la red

alimenticia gracias a ciertas características que lo

distinguen de otros depredadores. Ha tenido la

capacidad de adaptarse a diferentes hábitats, siendo

una de las pocas especies que se encuentra en casi

todo el planeta, abarcando todos los climas desde

desiertos hasta climas árticos (Ver Fig.1). Incluso se

ha logrado adaptar al ambiente urbano llegando a

vivir en ciudades. Parte de esta capacidad de

adaptarse a cualquier hábitat se encuentra en que la presa del halcón peregrino varía entre

1,500 especies por lo que puede cazar prácticamente donde sea.

Este feroz depredador tiene características que lo diferencian de otras aves y

particularmente de otros halcones. Ha desarrollado características que le permiten alcanzar

y cazar en velocidades superiores a cualquier otro animal. Debido a esto su cuerpo se ha

adaptado para ser sumamente aerodinámico y sus sentidos y funciones vitales se han

adaptado para poder suportar las grandes presiones y velocidades a las que llega.

1.1 El Animal Más rápido

La principal característica de esta especie de halcón es la gran velocidad que puede

alcanzar, llegando a velocidades superiores que cualquier otro ser vivo. A través de los

siglos ha desarrollado características esenciales para alcanzar vuelos de grandes velocidad

Fig. 1. En el mapa, el hábitat del halcón

está representado por el color amarillo.

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con una velocidad promedio de 100 km/h en modo crucero, y velocidad máxima estimada

de 400 km/h cuando se lanza en picado para cazar una presa. Para lograr esto ha tenido que

desarrollar ciertas mejoras respectos a otras aves

que le permiten poder soportar el estrés de

movilizarse a altas velocidades y a bruscos

cambios de presiones. Entre otras cosas que

permiten a este animal alcanzar grandes

velocidades son sus alas, de mayor envergadura

que otras aves, (Ver Fig.2.) y otras

características como sistemas visuales para poder

ver a grandes velocidades.

1.2 Un Cazador Letal

Este halcón es un feroz depredador que puede llegar a reconocer a sus presas a

kilómetros de distancia. Dentro de sus presas se encuentra todo tipo de aves, inclusos

algunas de mayor tamaño que él. Caza a su presa tirándose en picado desde gran altura,

impactando a su víctima con gran fuerza matándola con el impacto, o aturdiéndola para

después matarla de un picotazo en el cuello. Con sus fuertes garras impacta en ala del ave

para así evitar hacerse daño al mismo con el impacto. A pesar de este infalible método de

caza, la efectividad de cada ataque es solo del 20% debido a la dificultad de impactar

cuando la presa se percata de que está siendo cazada.

2. Características Principales

Dentro de todas las características de este animal, las características principales a

destacar se relacionan mayoritariamente con las mejoras que ha tenido que hacer a través

del tiempo para alcanzar y soportar las grandes velocidades a las que llega. Ha

desarrollado un cuerpo optimizado para disminuir el coeficiente de arrastre, un sistema

ocular para no perder la nitidez visual cuando acelera y un tubérculo óseo en sus cavidades

nasales para disminuir la velocidad del aire que respira evitando que el cambio de presión

afecte a sus pulmones.

Fig. 2. Las alas del Halcón

Peregrino.

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Membrana Nictitante o “tercer parpado”

Cuando el peregrino realiza una picada al vacío, con la

velocidad que alcanza, sus ojos podrían secarse o perder la

nitidez al ensuciarse con elementos que se encuentren en el

camino. Para evitar esto el halcón (como otras aves) tiene una

membrana trasparente, conocida también como tercer

parpado, que limpia el ojo a gran velocidad y lo mantiene

humectado gracias a un líquido que emanan sus glándulas

oculares, manteniendo así en perfecto estado la visión.

Tubérculo Óseo en el tracto nasal

Otro problema que debe enfrentar este animal al realizar sus veloces zambullidos, es

tener que lidiar con los bruscos cambios de presiones a los que se encuentra sometido.

Los cambios de presiones que experimentan podrían fácilmente dañar su sistema

respiratorio pero gracias a un tubérculo óseo en forma como válvula cónica que tiene en su

tracto nasal, el aire que respira pierde velocidad disminuyendo el cambio de presión entre el

ambiente y sus pulmones, evitando así daños.

Trayecto en espiral logarítmico y Fóveas superficial y profunda

Cuando el halcón se lanza en picado para cazar un presa, otro problema visual con

el que tiene que lidiar, es que la fóvea ocular que

utiliza para ver mayoritariamente objetos lejanos

se encuentra en lo que se podría catalogar como su

visión lateral, por lo que para ver completamente a

una presa que está al frente de él, el halcón debería

girar su cabeza aproximadamente 40° hacia un

lado. Esto produciría que el coeficiente de arrastre

aumentara significativamente disminuyendo su

velocidad, por lo que el halcón envés de

aproximarse en línea recta hacia su presa, describe una trayectoria similar a la función del

Fig. 3. Halcón con

membrana nictitante.

Fig. 4. La trayectoria de caza del Halcón.

6

espiral logarítmico evitando mover su cabeza y teniendo completa visión de su presa con su

fóvea profunda. Cuando se encuentra lo suficientemente cerca, cambia a su otra fóvea

utilizando la visión estereoscópica ya que la nitidez visual en este punto no es tan

importante.

3. Análisis Características Principales

3.1. Análisis: Membrana Nictitante o “tercer parpado”

La membrana nictitante, también conocido como tercer parpado, es una membrana

traslucida presente en aves y reptiles encargada principalmente de limpiar la superficie

ocular y proteger el ojo. Tiene la capacidad de cerrarse y abrirse a gran velocidad para

limpiar y humedecer el ojo de ciertos animales junto con la

ayuda de glándulas adyacentes al parpado. Este tercer parpado

les permite a muchos animales proteger

sus ojos y pestañar sin perder de vista a

su presa. A diferencia de los otros pares

de parpados, se desliza en sentido

horizontal al ojo.

Esta membrana es parte fundamental de la fisiología del ojo de

los halcones peregrinos. Ha evolucionado para cumplir una serie de

funciones de vital importancia. Entre sus funciones se encuentra,

proteger al ojo, limpiar el ojo sin perder la visibilidad (gracias a que es

traslucido) y humedecer el ojo.

La membrana nictitante juega un rol importantísimo en las

picadas al vacío del halcón, donde alcanza velocidades sorprendentes.

Esta membrana permite que el halcón no pierda la visibilidad cuando

se desplaza a velocidades superiores a 200km/h, evitando que el ojo

se seque y se pierda la nitidez de la visión, limpiando el cristalino repetidas veces a gran

velocidad.

Fig.5. Halcón con el tercer

parpado desplegado.

Fig. 6. Foto del

epitelio de pluma.

7

El funcionamiento de esta membrana depende de dos músculos estriados que le

permiten barrer a gran velocidad la superficie ocular. Para que el barrido sea efectivo, la

membrana depende de dos glándulas, la glándula lagrimal y la glándula Harderiana, las

cuales secretan líquidos para lubricar la limpieza. La glándula Harderiana también secreta

una sustancia viscosa que permiten mantener el ojo húmedo mientras el halcón vuela y así

evitar que se seque, sustancia de la cual se desconocen sus componentes. (The Falcon's

stoop, 2004)

La limpieza del ojo en el halcón es tan eficiente gracias a que en el borde exterior de

la membrana se encuentra una especie de trenza marginal que ayuda a drenar los residuos

por el sistema naso lagrimal (The Falcon's stoop, 2004). Aparte de esto la membrana tiene

una capa de “epitelio de pluma” con micro vellosidades que barren la superficie del ojo,

micro vellosidades que son especialmente robustas en el halcón peregrino a diferencia de

otras especies (The Falcon's stoop, 2004). Estas adaptaciones permiten que la limpieza sea

completa mejorando al instante la visión del halcón.

3.2. Análisis: Tubérculo Óseo en el tracto nasal

Los halcones al volar a velocidades muy altas se encuentran con el problema fatal

de que los drásticos cambios en la presión del viento le dificultan respirar. Cuando se lanza

en picada, la presión del viento es tan alta que podría dificultar

la entrada en los pulmones, dañándolos. Para superar este

problema, el halcón ha desarrollado una adaptación en sus vías

nasales que le permiten manejar las corrientes de aire para

poder respirar en grandes presiones.

En las fosas nasales los halcones tienen un tubérculo

óseo que sobresale un poco funcionando como deflector1,

disminuyendo el cambio en la presión de viento. Estos

tubérculos nasales disminuyen la velocidad del viento

permitiéndole respirar al halcón. Estos deflectores tienen forma

1Def. “adj. Mec. Dicho de un dispositivo mecánico: Que modifica la dirección o la trayectoria de un

fluido” (Real Academia Española, 2013)

Fig.7. El tubérculo óseo

se divisa en la fosa nasal.

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de cono, forma que permite hacer cambios en la corriente del viento. Esta adaptación que

parece muy sencilla, es muy ingeniosa permitiendo solucionar un problema fundamental de

manera muy simple.

En la fig.7 se puede ver el perfil de un halcón donde se ve la fosa nasal izquierda. En la

foto se nota claramente una protuberancia en la fosa nasal que vendría siendo el tubérculo

óseo el cual le permite respirar al halcón cuando se desplaza a grandes velocidades. El

tubérculo óseo no es nada más que un pedazo de hueso que sobresale en la fosa nasal, por

lo que su funcionamiento es bastante sencillo.

3.3. Análisis: Trayecto en espiral logarítmico y Fóveas superficial y profunda

El halcón peregrino al cazar desde distancias muy lejanas (1500 metros o más)

recorre un camino curvo hacia su presa, describiendo un espiral logarítmico. En ningún

caso es el camino más corto, pero si el camino más rápido. Cuando el halcón peregrino se

encuentra en posición recta hacia su presa, está obligado a girar la cabeza 40° hacia un lado

para no perder nitidez de la imagen debido su fisiología ocular. Este giro de cabeza

produce que el coeficiente de arrastre aumente significativamente, produciendo que sea

mucho más rápido hacer un trayecto curvo hacia su presa y así

no perder la visión.

La razón por la cual el halcón tiene que girar su cabeza

40° hacia un lado para ver a su presa es debido al

funcionamiento de sus fóveas2. La fóvea nasal del halcón es

la que le permite ver objetos a literalmente kilómetros de

distancia y seguirlos perfectamente, pero esta visión más

aguda tiene una orientación lateral, por lo que cuando mira un

objeto que se encuentra en dirección recta hacia él, lo tiene

que hacer con su fóvea temporal, la cual tiene mucho peor

agudeza visual pero le permite usar la visión estereoscópica.

2 Def. Pequeña depresión en la retina del ojo donde la agudeza visual es más alta. El centro del campo de

visión se centra en esta región, donde los conos de la retina se concentran especialmente. (traducción del

autor) (Oxford University Press, 2014).

Fig.8. Figura donde se

muestran las dos fóveas

del halcón, la temporal

formando la visión

estereoscópica y la nasal

apuntando hacia el lado

lateral del halcón.

9

Este problema lo soluciona siguiendo una

trayectoria curva que le permite tener a supresa

siempre en la mira, nunca perdiendo la agudeza

visual. Cuando ya se encuentra a menos de 40

metros de su presa, se encuentra en dirección recta

hacia a ella por lo deja de ver a la presa con sus

fóveas nasales, y las ve con sus fóveas temporales,

pero en este punto la agudeza visual no están

importante como sí lo es la visión estereoscópica.

4. Adaptación de las características del Halcón a la Cotidianidad

4.1. Membrana de Nictitante, la reinvención del limpiaparabrisas

Una situación en la cual la membrana nictitante se puede usar como inspiración para

una situación cotidiana es en la reinvención de un aparato que ha tenido pocas

modificaciones desde que se inventó: el limpiaparabrisas. Esta parte fundamental del

automóvil permite que los conductores no pierdan visibilidad en días de lluvia o cuando el

parabrisas está sucio, pero durante más de un siglo ha tenido muy pocos cambios

pudiéndose hacer más eficiente. La membrana nictitante cumple exactamente la misma

función que los limpiaparabrisas pero limpiando los ojos los halcones.

La membrana nictitante cumple su labor con gran eficacia permitiendo que el halcón

peregrino tenga excelente visibilidad incluso cuando alcanza velocidad cercanas a 300

km/h, por lo que el concepto del limpiaparabrisas se podría mejorar tomando algunas

adaptaciones de la membrana. Por ejemplo se podría hacer que envés de usarse dos aspas

para limpiar el parabrisas, se podría usar solo una que se deslizara de manera horizontal por

todo el parabrisas a gran velocidad y lanzara agua directamente desde el aspa para hacer

más uniforme el lavado.

Se podría tratar de imitar las micro vellosidades y la trenza marginal que tiene la

membrana para limpiar el ojo y así hacer un limpiaparabrisas que saque todos los residuos

Fig.9. Demostración de la

trayectoria que sigue un halcón al

cazar a su presa.

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que quedan pegados incluso cuando se utilizan los limpiaparabrisas convencionales.

También se podría implementar que el agua salga directamente des el aspa limpiadora para

así hacer más uniforme el lavado y poder aumentar la superficie de lubricación para que el

aspa se pueda mover con mayor velocidad, imitando a la membrana nictitante.

4.2. Tubérculo óseo como deflector del viento

El concepto del tubérculo corresponde a utilizar una especie de cono cilíndrico

como deflector, para modificar fuertes corrientes de viento, en el sentido que uno quiera.

Por lo que la imitación de este sistema sería útil para desviar corriente de aire.

Increíblemente a través de esta investigación se descubrió que esta adaptación ya fue

tomada de los halcones por la industria de la aviación, superando un problema que los

científicos no habían podido resolver. Cuando los jet supersónico alcanzaban velocidades

muy altas, el aire dejaba de entrar en las turbinas debido a la fuerte presión que había,

chocando contra ellas como si fuera una muralla. Para esto se le agrego un cono cilíndrico

al principio de la turbina que permite que sigan entrando

incluso en velocidades muy altas.

Otras situaciones en donde se podría implementar

son situaciones donde se trabaje con grandes presiones

producida por el viento. Un ejemplo de esto podría ser a

lo mejor en la desviación de tornados implementando

grandes conos que deflacten de las corrientes de aire

interviniendo con el funcionamiento de las tormentas de

viento.

Otra invención que se podría hacer con esta adaptación del halcón, es hacer un

dispositivo estilo mascarilla que integre estos tubérculos en forma de válvulas cónicas el

cual le podría permitir respirar al ser humano en lugares donde los cambios de presiones

sean drásticos, de la misma manera que esta adaptación le permite respirar al halcón.

Fig. 10. En la foto se puede

apreciar el cono en la turbina

del avión, cono que funciona

como deflector.

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4.3. Disminuir el coeficiente de arrastre sin empeorar el campo visual

En el caso de las fóveas superficial y profunda, el halcón realiza una maniobra para

superar un problema fisiológico el cual le entorpece la visión en caso de encontrarse en el

punto más aerodinámico posible. Tomando esta situación como ejemplo, un caso de la vida

cotidiana donde se pierde aerodinamismo y se aumenta el coeficiente de arrastre

significativamente es el los espejos de los automóviles. Al igual que lo halcones donde

tienen que sacrificar aerodinamismo para poder ver bien, los automóviles tienen que

sacrificar su aerodinamismo para poder permitir al conductor ver hacia los costados

traseros.

Los espejos convencionales de los automóviles le aportan

de un 2% a 7% (OLSSON, 2011) de coeficiente de arrastre a estos

produciendo anualmente gastos millonarios en bencina extra. El

disminuir la utilización de estos sería una modernización esencial

para hacer de autos más eficientes. En este caso se podría

implementar un situación parecida a la del halcón, pero envés de

hacer un trayectoria diferente para disminuir el coeficiente de

arrastre (como lo hace el halcón) se podrían hacer espejos

retractiles, utilizándolos solo cuando fuera estrictamente necesarios. Los espejos laterales

actualmente son necesarios cuando el conductor quiere cambiar de pista o tiene autos muy

próximos a él, ya sea a su izquierda o derecha. Por lo que los espejos podrían estar

guardados hasta que fueran necesarios de usar, apareciendo cuando el conductor utilizase

los intermitentes para doblar, o cuando el auto con un sensor de proximidad se percate de

que tiene un auto muy cerca un costado.

Así el automóvil aumentaría su eficiencia con un sistema mixto entre practicidad y

eficiencia, ya que los espejos no serían eliminados del todo. Este sistema seria

especialmente ventajoso en viajes largos, en carreteras, donde los cambios de pista son

menos frecuentes, por lo que los espejos estarían guardado gran parte de este, aumentando

la eficiencia energética del viaje.

Fig. 11. El espejo

aumentando el

coeficiente de arrastre.

12

En este caso se estaría copiando la idea del halcón buscando la solución para

disminuir al máximo el coeficiente de arrastre de los automóviles sin afectar la visión del

conductor, como el halcón quien disminuye al máximo su coeficiente de roce sin perjudicar

su visión.

5. Bibliografía

5.1 Fuentes

TUCKER, V. Gliding Flight: drag and torque of a hawk and a falcon with straight and

turned heads, and a lower value for the parasite drag coefficient [En Linea]: Journal of

Experimental Biology. The Company of Biologists LTD, 14 Nov. 2000. [Fecha de

Consulta: 14 de marzo de 2014]. Disponible en:

<http://jeb.biologists.org/content/203/24/3733.full.pdf+html>

TUCKER, V., TUCKER, A., AKERS, K., and ENDERSON, J., Curved Flight Paths and

Sideways Vision in Peregrine Falcons (falco peregrinus) [En Linea]: Journal of

Experimental Biology. The Company of Biologists LTD, 14 Nov. 2000. [Fecha de

Consulta: 12 de marzo de 2014]. Disponible en: <

http://jeb.biologists.org/content/203/24/3755.full.pdf+html>

PONITZ, B. Diving-Flight Aerodynamics of a Peregrine Falcon (Falco peregrinus) [En

Linea]: Plos One. Christof Markus Aegerter, University of Zurich, Switzerland, 5 Feb.

2014. [Fecha de Consulta: 13 de marzo de 2014]. Disponible en:

<http://www.plosone.org/article/fetchObject.action?uri=info%3Adoi%2F10.1371%2Fjourn

al.pone.0086506&representation=PDF>

SCHWAB, I. R., MAGGS, D. The falcon’s stoop [En Linea]: British Journal of

Ophthalmology, Ene. 2004. [Fecha de Consulta: 13 de marzo de 2014]. Disponible en: <

http://bjo.bmj.com/content/88/1/4.full >

POTTER, M. Falco Peregrinus [En linea]: Animal Diversity Web, 2002. [Fecha de

consulta: 12 de marzo de 2014]. Disponible en:

<http://animaldiversity.ummz.umich.edu/accounts/Falco_peregrinus/>

OLSSON, MARTIN. 2011. Designing and Optimizing Side-View mirrors. Gotenberg :

Chalmers University of Technology, 2011.

Oxford University Press. 2014. Oxford Dictionary. London : s.n., 2014.

Real Academia Española. 2013. Diccionario de la lengua española. Madrid : s.n., 2013.

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5.2 Imágenes

Portada < http://raptorawareness.wordpress.com/species-profiles/falcons/peregrine-falcon/>

Fig.1. < http://images.nationalgeographic.com/wpf/sites/kids/NGS/wpf/printcreature/peregrine-

falcon.html>

Fig.2.

<http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ala_de_Halc%C3%B3n_peregrino_(morfolog%C3%AD

a).jpg>

Fig.3. < http://www.birdvancouver.com/blog_august11.html>

Fig.4. < http://falcoperegrinus-froona.blogspot.com/2008/05/falcons-stoop_22.html>

Fig. 5. < http://www.libertywildlife.org/wp-content/uploads/2011/08/Terry-Golden-eagle-

nictitating-membranes.jpg >

Fig. 6. < http://bjo.bmj.com/content/88/1/4.full>

Fig. 7. < http://books.google.cl/books?id=Svna-RcYAToC&pg=PA18-IA5&lpg=PA18-

IA5&dq=falcon+nostril+as+baffle&source=bl&ots=elDgcJtnPN&sig=pKa5c8N_Tqs-

4fIpSPdsX0rVu54&hl=en&sa=X&ei=NkEuU-

7KK4eikQfjp4H4BA&ved=0CEEQ6AEwAw#v=onepage&q=falcon%20nostril%20as%20baffle&f

=false

Fig. 8. < http://people.eku.edu/ritchisong/554images/Double_fovea.jpg>

Fig. 9. < http://jeb.biologists.org.ezproxy.puc.cl/content/217/2/225.full.pdf>

Fig.10 <http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/52/A380-trent900.JPG>

Fig. 11. <http://www.metrompg.com/posts/mirrors.htm>