Resumen

Mientras que la mayoría de las aves no pueden mantenerse en el aire sin avanzar, el vuelo de los colibríes es único y fascinante. Su forma de vuelo es oscilante, es decir, en ochos lo que les permite tener un vuelo estacionario al succionar el néctar de las flores. Este tipo de vuelo lo realizan gracias a su sistema musculoesquelético, uno de los más sofisticados entre las aves, además puede realizar maniobras complejas, como cambios de dirección rápidos y giros cerrados, es el único pájaro que puede volar hacia atrás, adelante, arriba, abajo y permanecer estacionado en el aire. Los colibríes baten sus alas entre 60 y 100 veces por segundo y alcanzan velocidades entre 80 y 100 km/h. Su metabolismo es rápido y eficiente, alcanzando hasta 1200 latidos por minuto durante el vuelo, por lo que tienen una rápida digestión y necesitan comidas frecuentes que pueden sobrepasar su peso corporal cinco veces en un mismo día, alimentándose el 70% de néctar, una fuente rica de azúcares y el 30% de insectos. Se alimentan unas 300 veces por día, visitando entre 2,000 y 3,000 flores por día. El comprender la biología y el vuelo del colibrí, ha sido fundamental en la inspiración para el diseño de tecnologías innovadoras y la conservación de estas especies clave en los ecosistemas.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Cómo es que los colibríes logran realizar vuelos tan precisos y ágiles; y cuáles son las características biomecánicas y aerodinámicas que les permiten mantenerse en el aire de manera eficiente.

Antecedentes

Desde la era prehispánica, los colibríes han maravillado a los seres humanos.

En el Imperio Mexica los colibríes eran considerados como mensajeros del dios de la guerra Huitzilopochtli.

En la cultura Maya los colibríes eran transportadores y acompañantes de los guerreros muertos en su viaje al Sol.

A pesar de ser una de las aves más pequeñas del reino animal, poseen atributos que los ayudan a sobrevivir y destacar entre las demás especies aladas, su tamaño no supera los 25 cm de longitud, y es considerada el animal más ágil del mundo; es capaz de batir sus alas cual insecto, pero gracias a su sistema musculoesquelético, uno de los más sofisticados entre las aves, lo hace incluso mejor que éstos. Por ejemplo, son los únicos pájaros que se ha comprobado, son capaces de volar hacia atrás y lateralmente, así como permanecer estacionados en el aire, como helicópteros en miniatura durante períodos indefinidos.

Aunque la tecnología ha avanzado en la creación de drones inspirados en el vuelo del colibrí, replicar completamente la agilidad y eficiencia de su vuelo sigue siendo un desafío considerable.

Objetivo

Dar a conocer las características del vuelo de los colibríes que lo hacen único.

Justificación

Elegí este tema ya que quiero saber cuál es la razón por la que el vuelo de los colibríes es conocido como “La máquina voladora perfecta”.

Hipótesis

Si los colibríes tienen la capacidad de mantenerse en el aire de manera estacionaria debido al patrón de vuelo denominado “vuelo oscilante”, entonces este patrón implica movimientos rápidos de las alas en forma de ocho, permitiendo que los colibríes generen suficiente sustentación y propulsión para mantenerse en el mismo lugar mientras succionan el néctar de las flores.

Método (materiales y procedimiento)

Investigación documental

El 10 de enero del 2024, asistí a la Biblioteca José María Morelos y Pavón ubicada en Zarzaparrilla Mz. 49, Los Héroes Coacalco, San Francisco Coacalco, Estado de México, C.P. 55712.

Fig. 1 Alexander Martín De La Parra Nava en la Biblioteca José María Morelos y Pavón.

Fig. 2 Libros de investigación.

La capacidad de vuelo de las aves se debe a las plumas. La pluma constituye una maravilla de ingeniería natural, es sólida y ligera. Durante la evolución de las aves, la mayor parte de las modificaciones en su estructura ósea fueron dirigidas hacia una adaptación a la existencia en el aire. Los huesos de las aves se ahuecaron, el costillar y el espinazo se volvieron más rígidos y algunos de sus huesos soldaron, y sólo el cuello y la cola se mantuvieron flexibles. Sobre el esternón surgió una quilla donde se insertan los enormes músculos del vuelo que representan del 15 al 25 % del peso del ave y en algunos colibríes el 30 %. Las aves además del par de pulmones, tienen un sistema de sacos de aire que se extienden por casi todas las importantes partes del cuerpo para aprovechar de manera más eficiente el aire, actuando también como un regulador de temperatura por el rápido metabolismo y la elevada temperatura de sus cuerpos, disminuyendo el peso corporal y favoreciendo el vuelo. Además, las aves tienen la mejor agudeza visual de los seres vivos.

La forma de un ala de ave está magníficamente adaptada para el vuelo.

Las alas son gruesas y romas a lo largo de su borde delantero, más estrechas y afiladas en los bordes posteriores.

La forma de su parte interior es plana o ligeramente cóncava y la superficie superior más redondeada crean la sustentación en una corriente de aire.

Para planear o remontar el vuelo tan sólo la mitad básica del ala, la parte del brazo es utilizada para la elevación.

La mitad extrema del ala, la parte de la mano, actúa como propulsora y como superficie de control.

En el aleteo de las aves, cada propulsor se mueve en semicírculo, hacia adelante al abatir el ala, impulsando el ala y luego hacia atrás de un modo relajado al alzarla. En el momento de la transición entre abatir y alzar las alas, las flexibles remeras primarias quedan entreabiertas como una persiana para permitir que el aire se deslice a través de ellas con soltura. Mientras tanto, la mitad básica del ala continúa estabilizando el vuelo.

Cuanto menor es un ave, más seguido es su aleteo. Por ejemplo, un colibrí norteamericano de garganta rubí aletea de 50 a 70 veces por segundo, un burlón 14 veces por segundo, una paloma de 5 a 8 veces por segundo y un pelícano tan solo 1.3 veces por segundo.

Fig. 3 Tipos de alas.

El ornitólogo Crawford Greenwalt ha señalado que cuando la naturaleza creó a los colibríes, operó un cambio en el prototipo. Mientras todos los demás pájaros articulan libremente sus alas en el hombro, el codo y la muñeca; el colibrí las articula fundamentalmente en el hombro. El codo y la muñeca, aunque no descartados, se mueven con él en menos libertad y los huesos de su brazo son extremadamente cortos. Sus largas alas giran, a modo de paletas, sobre el hombro ya que tienen una articulación giratoria, de modo muy parecido a un insecto.

En las presentes figuras puede apreciarse como la totalidad del ala actúa como un rotor de helicóptero, pero cinglando hacia atrás y hacia adelante, en vez de girar circulatoriamente. Durante el movimiento de elevación del ala, ésta se mueve de modo convencional, con el borde de ataque dirigido hacia adelante, ligeramente angulado, con el fin de producir elevación, pero no impulsión como puede comprobarse en las seis primeras siluetas. En el movimiento descendente del ala, ésta gira sobre su eje 180 grados, como se ve en las restantes 6 siluetas.

Fig. 4 Mecánica del aleteo en suspensión.

El colibrí es una pequeña ave nativa de América. En el mundo existen 340 especies aproximadamente. Sólo en México existen 59 especies diferentes, de las cuáles 13 de ellas son endémicas y 7 están en peligro de extinción. Su tamaño varía desde los 5 a los 25 cm. Es la única ave que posee un pico largo y delgado, tiene un plumaje colorido y metálico.

Los colibríes no pueden caminar ni saltar y usan sus patas únicamente para rascarse y posarse en los árboles y plantas.

Su cerebro es más grande de lo normal, es casi el doble de lo que se espera de un animal de su tamaño. Tienen una memoria prodigiosa y pueden reconocer una ruta de migración desde Alaska hasta México y recordarla, así como el lugar de las flores de las cuáles se alimentan, por lo que pueden planear eficazmente su ruta de vuelo.

Fig. 5 Colibrí posado en una rama.

Su corazón en estado de reposo late entre 500 a 700 veces por minuto y en estado activo hasta 1200 veces por minuto, debido a que gastan una cantidad importante de energía por el vuelo y necesitan comidas frecuentes, que pueden sobrepasar su peso corporal cinco veces en un mismo día.

La bióloga Mary Stoddard de la National Academy of Sciences hizo un estudio y concluye que los colibríes tienen una visión tetracromática, es decir tienen 4 conos receptores de color y tienen la capacidad de ver colores que los seres humanos no son capaces de percibir.

Estas pequeñas aves se alimentan de las plantas con flor como las lavandas, aretillos, orquídeas y bromelias, les gustan las flores rojas, rosas y naranjas. Los colibríes complementan su dieta con insectos para obtener las proteínas necesarias. Se alimentan unas 300 veces por día, visitando entre 2,000 y 3,000 flores por día.

Los colibríes son las aves polinizadoras más importantes de América.

Fig. 6 Colibrí polinizando.

Los colibríes son conocidos por su gran habilidad para volar. Mueven sus alas a grandes velocidades que casi no se perciben. Baten sus alas entre 60 y 100 veces por segundo y alcanzan velocidades entre 80 y 100 km/h.

Así como la mayoría de las aves se asemejan al avión normal, los colibríes se comportan como helicópteros: Ambos, si están suspendidos en al aire el rotor del helicóptero y las alas del colibrí se hallan en un plano paralelo a la tierra, cuando avanzan o retroceden, el rotor y las alas se inclinan en la adecuada dirección y pueden elevarse desde un punto determinado.

Fig. 7 Colibrí volando.

El biólogo evolutivo e investigador Nir Sapir de la Universidad de Haifa se reunió con Robert Dudley de la Universidad de California para realizar un trabajo de investigación enfocado en el vuelo de los colibríes y concluyeron que son las únicas aves que tienen la capacidad de volar en todas direcciones: Derecha, izquierda, adelante, atrás y permanecer estáticos.

El colibrí es considerado el ave más ágil del mundo: Es capaz de batir sus alas como un insecto, pero gracias a su cerebro y a su sistema musculoesquelético lo hace mejor. Su secreto para lograrlo radica en los músculos primarios de sus alas, es decir, sus motores de vuelo, los colibríes no baten simultáneamente sus alas de un lado a otro, sino que tensan las articulaciones en sus hombros para moverlas en tres direcciones con total precisión: Arriba y abajo, atrás adelante y atrás y torcer o cabecear el ala. Esto hace a su agilidad aérea y su forma de vuelo únicas.

Fig. 8 Huesos del ala de un colibrí.

Fig. 9 Vuelo del colibrí.

Dato Curioso:

“Sabias que los colibríes pueden volar a través del Golfo de México un día entero sin parar, a cambio del 50% de su peso corporal”.

La forma en la que los colibríes vuelan ha evolucionado para adaptarse a sus necesidades específicas, especialmente en relación con la alimentación, la reproducción y la competencia en su entorno. Su vuelo distintivo es un ejemplo impresionante de cómo la evolución ha dado forma a las habilidades de las especies para sobrevivir y prosperar en sus nichos ecológicos.

Muchos laboratorios tratan de recrear en robots y drones el fluido vuelo de estas aves para la construcción de aeronaves que vuelen mediante el movimiento de sus alas, lo suficientemente estables para operar en el aire de forma confiable bajo condiciones variables de viento y todavía no existe una tecnología que imite completamente el vuelo de los colibríes, la máquina voladora perfecta, cuando se trata de volar la naturaleza aventaja a los ingenieros. Estudiar la forma de las alas de los colibríes no sólo puede ofrecer información sobre la biomecánica de los animales, estos conocimientos también pueden servir para construir la nueva generación de micro robots voladores.

Investigación de campo

El 21 de enero del 2024 visité el Museo Militar de Aviación, ubicado en Campo Militar No. 37-D “Gral. Div. P.A. Alfredo Lezama Álvarez” Santa Lucía, Estado de México, C.P 55640.

Fig. 10 Alexander Martín De La Parra Nava en el Museo Militar de Aviación.

Volar es un tipo de desplazamiento que se realiza en el aire. Para lograrlo, el organismo debe vencer a la fuerza de la gravedad por medio de la propulsión y tener el control de la dirección y el tiempo que permanecerá volando.

El ir y venir de las aves e insectos por los cielos, sirvió de inspiración para los humanos deseosos de imitarlos.

Leonardo da Vinci fue el primer intelectual interesado en la dinámica del vuelo desde una perspectiva teórica. En 1505 se ocupó de la mecánica del vuelo de los pájaros, así como algunos bocetos de máquina voladoras.

Fig. 11 Leonardo da Vinci.

A principios del siglo XX, inventores de todo el mundo se dedicaron a desarrollar las máquinas voladoras.

Cuando un pájaro, insecto, un murciélago, un avión y un helicóptero vuelan, todos se encuentran sujetos a cuatro fuerzas fundamentales: Empuje, resistencia, sustentación y peso. La más importante es la fuerza de sustentación pues es la que permite la elevación.

Empuje: Lleva el organismo hacia adelante.

Resistencia: Es la desaceleración causada por el viento sobre el organismo.

Sustentación: La fuerza que eleva el organismo.

Peso: La gravedad que atrae al organismo al centro de la tierra.

Fig. 12 Cuatro fuerzas fundamentales del vuelo.

El vuelo del escarabajo: Abre sus élitros y permiten el despliegue de sus alas. Utilizan sus extremidades para girar.

Fig. 13 Vuelo del escarabajo.

El vuelo del murciélago del bosque: Baten sus alas para generar sustentación.

Fig. 14 Vuelo del murciélago del bosque.

El vuelo del colibrí: Realiza movimientos enérgicos con las alas para el despegue y dan aleteos frecuentes de arriba hacia abajo para mantenerse en el aire.

Fig. 15 Vuelo del colibrí.

El 26 de enero del 2024, asistí a la Universidad Nacional Autónoma de México FES Iztacala, ubicada en Av. de los Barrios No. 1, Col. Los Reyes Iztacala, Tlalnepantla, Estado de México, C.P. 54090.

Fig. 16 Alexander Martín De La Parra Nava en la UNAM FES Iztacala.

Entrevisté a la Doctora Laura Edith Núñez Rojas, Profesora de las carreras de Ecología y Biología; y encargada de la estación de monitoreo de colibríes en el Jardín Botánico.

Fig. 17 Jardín Botánico Iztacala.

Fig. 18 Alexander Martín De La Parra Nava y la Dra. Laura Edith Núñez Rojas.

La Dra. Laura Núñez me explicó que el origen de los colibríes es por el fósil encontrado en Eurasia, llegaron a América por el estrecho de Bering, colonizaron Norteamérica, se extendieron a Centroamérica, pero durante los procesos de glaciación se extinguieron todos en el norte, mientras que en Centroamérica se   diversificaron, para posteriormente colonizar el norte y el sur de América.

En el mundo hay entre 330 y 336 especies de colibríes. En México hay 59 especies, de las cuales 20 están en la NOM 059 con estatus de protección por ser amenazadas en peligros de extinción y vulnerabilidad, de las cuales 14 son endémicas. En la CDMX hay 18 especies y 3 en Iztacala durante el invierno. Entre Estados Unidos y Canadá hay 16 especies las cuáles migran a México en la temporada invernal.

Los colibríes pertenecen a la familia Trochilidae y Apodiformes que significa sin patas o patas pequeñas.

Se alimentan principalmente del néctar de las flores que es agua con azúcar y prefieren las flores tubulares, en formas de campana, aretillos, mirtos, toronjil, flores de colores rojos, naranjas y rosas, complementando con insectos como arañitas.

Lo que al colibrí lo hace diferente a otras especies es su esqueleto hueco y poroso, son de las pocas aves que pueden consumir néctar por su pico largo, el cual lo succionan por capilaridad y extracción de las flores enredando su lengua bífida en el cráneo y regresándola después, parecido al movimiento de un yoyo; sus alas son puntiagudas brindándoles mayor agilidad al volar, dar giros en ángulos pequeños y tener mayor maniobrabilidad. Asimismo, la articulación en el hombro que es parecida a la de los humanos les permite permanecer volando en un mismo lugar que es el vuelo en forma de ochos, además que pueden volar hacia arriba, abajo y atrás. Sus plumas son iridiscentes, la luz rebota en ellas dando como resultado tonos brillantes que cambian al mirarlas desde diferentes ángulos. Tienen un promedio de vida de hasta 12 años.

La fisiología y la morfología de los   colibríes fueron la inspiración para el diseño del volar de los helicópteros que son los que pueden permanecer en un mismo lugar. Si se pudiera replicar su vuelo, podríamos tener drones más sigilosos y ágiles.

En la UNAM FES Iztacala realizan un monitoreo mensual a los colibríes desde hace 12 años con la finalidad de conocer sus poblaciones en un espacio al aire libre, las rutas y los ciclos de reproducción.  Los atrapan en unas trampas para colibríes sin hacerles ningún daño y les colocan anillos metálicos en sus patas para identificarlos. Toman datos como tamaño del ala, edad, especie, sexo y peso siendo liberados inmediatamente.

Fig. 19 Trampa de colibríes.

En el 2014 se creó el primer jardín dedicado a los colibríes, y desde entonces han llegado más ejemplares de colibríes.

Fig. 20 Jardín de colibríes.

Galería Método

Resultados

El vuelo de los colibríes se debe a la eficacia de su patrón de vuelo oscilante en figuras en forma de ochos, permitiéndoles mantenerse en vuelo estacionario y maniobrar con precisión. Son las únicas aves que pueden volar en todas direcciones, arriba, abajo, atrás, adelante y permanecer suspendidos en el aire mientras succionan el néctar de las flores. Sus alas, con una articulación única en los hombros y su musculatura especializada, les otorgan una extraordinaria agilidad y capacidad de control. El metabolismo acelerado de los colibríes y la capacidad de recordar la ubicación de las flores, les permite mantener una alta actividad de vuelo y planificar rutas eficientes.

Fig. 21 Esquema de los huesos de un colibrí.

En este video se observa el vuelo de la mayoría de las aves.

En este video se observa el vuelo de los colibríes.

En este video se observan los colibríes volando suspendidos en el aire y en diferentes direcciones.

Galería Resultados

Discusión

El estudio sobre el vuelo de los colibríes se ha enfocado en su vuelo oscilante, las adaptaciones anatómicas, su metabolismo y rendimiento, así como en su importancia ecológica, centrándose en cómo estas características evolutivas han permitido a los colibríes especializarse en la obtención de néctar de las flores, destacando su excepcional adaptación al vuelo y su importancia en la polinización de plantas.

Estos hallazgos además de ayudarnos a comprender la biología de los colibríes, también tienen implicaciones en términos de biomimética y diseño de vehículos aéreos no tripulados.

Conclusiones

El vuelo oscilante en figuras en formas de ocho de los colibríes es una estrategia eficiente para el vuelo estacionario y maniobrabilidad, permitiéndoles recolectar el néctar de las flores.

La estructura de sus alas y las articulaciones proporcionan agilidad y control precisos durante el vuelo.

El metabolismo de los colibríes les permite mantener una alta actividad de vuelo.

Los colibríes son las aves polinizadoras más importantes de América, ya que tienen la capacidad de recordar ubicaciones de flores, planificar rutas eficazmente contribuyendo a la reproducción de plantas.

Son la inspiración para el diseño de tecnologías y sistemas innovadores basados en la naturaleza.

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Las imágenes y videos que se presentan cuentan con derecho de autor.

Summary

While most birds can’t stay in the air without moving forward, the flight of hummingbirds is unique and fascinating. Their flight shape is oscillating, that is, in eights, which allows them to have a hover by sucking the nectar from the flowers. This type of flight is performed thanks to their musculoeskeletal system, one of the most sophisticated among birds. It is the only bird that can fly backwards, forwards, upwards, downwards and remain stationary in the air. Hummingbirds flap their wings 60 to 100 times per second and reach speeds between 80 to 100 km/h. Their metabolism is fast and efficient, reaching up to 1200 beats per minute during flight. They need frequent meals that can exceed their body weight five times in a single day, feeding on 70% nectar and 30% insects. They feed about 300 times per day, visiting bewtween 2,000 and 3,000 flowers per day. Undestanding the biology and flight of the hummingbird has been instrumental in inspiring the design of innovative technologies and the conservation of these key species in ecosystems.

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography