D12 Câmeras de ultra alta velocidade

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O ciclo de batimento das asas do inseto ocorre tão rapidamente — tipicamente entre dez e mil vezes por segundo — que apenas câmeras de altíssima velocidade conseguem capturar sua dinâmica completa, revelando como a asa do inseto se move a cada instante dentro de cada ciclo.

Para que essa captura do ciclo de batimento das asas seja possível, a câmera deve obedecer ao critério de Nyquist: a taxa de captura de quadros deve ser pelo menos o dobro da frequência máxima do ciclo de batimento das asas que está sendo capturado, pois abaixo desse mínimo, a câmera simplesmente não consegue distinguir o movimento real da asa de um movimento aparente diferente.

Na prática, porém, esse mínimo de Nyquist é insuficiente para visualizar o ciclo de batimento das asas com o nível de detalhe desejado: os pesquisadores utilizam muito mais quadros para cada ciclo completo — entre dez e cem — para resolver os detalhes da rotação pronacional e supinativa da asa, a torção rápida que a asa realiza no início e no fim de cada batimento.

Aumentar a taxa de quadros para capturar mais quadros por ciclo de batimento das asas tem um custo: quanto mais rápido a câmera captura quadros, menor o tempo de exposição de cada quadro individual. Esse tempo de exposição mais curto significa que cada pixel da imagem recebe menos fótons de luz, degradando a qualidade da imagem ao reduzir a proporção entre o sinal útil e o ruído de fundo.

Esse tempo de exposição também tem um limite máximo imposto pelo próprio movimento da asa: se o tempo de exposição for muito longo, a imagem da asa aparece borrada porque a asa já se moveu uma distância significativa enquanto a câmera ainda estava capturando aquele quadro. Para uma ponta de asa se movendo a dois metros por segundo, fotografada com uma resolução de cem micrômetros por pixel, o tempo de exposição deve ser inferior a cinquenta microssegundos para evitar que a imagem da asa apareça borrada.

Esse tempo de exposição também tem um limite máximo imposto pelo movimento da asa. A partir da posição angular da asa extraída de cada quadro, é possível calcular, por meio de diferenciação numérica, a velocidade angular e a aceleração angular da asa ao longo de todo o ciclo da asa. Combinando essa aceleração angular com o momento de inércia da asa, é possível derivar os torques aerodinâmico e inercial que atuam na asa durante o voo do inseto.

Essa mesma relação de compromisso entre velocidade de captura e qualidade de imagem define, na prática, o que as câmeras ultrarrápidas mais avançadas podem oferecer hoje para o estudo do ciclo de voo das asas dos insetos: elas atingem cerca de um milhão de quadros por segundo se a resolução for sacrificada, ou cerca de cem mil quadros por segundo se uma resolução de um megapixel for mantida, deixando o pesquisador com o mesmo dilema entre velocidade e detalhes que permeia todo esse processo de medição.

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