každý milovník sovy má příběh o tom, že poprvé slyšeli sovu — nebo spíše neslyšeli. Je nezapomenutelné vidět obrovského ptáka, jehož rozpětí křídel může dosáhnout více než šest stop a proklouznout vzduchem bez šepotu.
první blízké setkání Justina Jaworského přišlo na letecké výstavě v Raptor Foundation poblíž Cambridge v Anglii. „Trénovali sovy, aby létaly velmi blízko k publiku,“ říká. „Moje první zkušenost byla, že jsem se vyhýbal kolizi. Slyšel jsem jen velmi mírný swoosh poté, co prošel.“
Laboratorních měření prokázaly, že mírný swoosh vyroben sova pálená je pod prahem lidského sluchu, dokud sova je asi tři metry daleko — výkon stealth že biologové a inženýři jsou daleko od zcela porozumění. Vědci z obou oborů však pracují na vyřešení hádanky Tichého letu-některé s cílem navrhnout tišší ventilátory, lopatky turbíny a křídla letadla.
velká šedá sova (Strix nebulosa) najde okouna na inženýra Justina Jaworského.
KREDIT: JUSTIN JAWORSKI
Taková sova-inspirované inovace může snížit hluk až o 10 decibelů, podobný rozdíl v hluku mezi projíždějící auta a projíždějící auto, Jaworski a Nigel Peake psát v přehledu v roce 2020 Annual Review of Fluid Mechanics.
Go gentle
Jaworski, inženýr na Lehigh University v Pensylvánii, je stěží prvním vědcem, kterého zaujala hádanka Tichého letu sovy. V roce 1934 Robert Rule Graham-britský pilot a znalec ptáků-upozornil na tři struktury na Sovích křídlech, které by mohly odpovídat za mlčení sov.
o více než 80 let později je jeho „paradigma tří rysů“, jak to nazývá Christopher Clark, stále citováno v mnoha dokumentech o owl wings. „Jasně znal ptáky velmi dobře a byl leteckým inženýrem,“ říká Clark, ornitolog z Kalifornské univerzity v Riverside. „Věda byla jiná v roce 1930. V našem věku specializace, nechápu tu kombinaci.“
nejprve Graham poukázal na neobvyklou strukturu zvanou „hřeben“, která doslova vypadá jako hřeben vyčnívající dopředu z náběžné hrany křídla. Za druhé poznamenal, že většina křídla sovy je pokryta měkkou vrstvou sametového peří. Nakonec si všiml, že peří na zadní hraně křídla tvoří otrhaný okraj.
Většina výzkumníků souhlasí, že hřeben, sametové a třásněmi spojit v nějaký způsob, jak snížit hluk, ale sova může mít více triků v rukávu. „Až bude vše řečeno a hotovo, myslím, že budeme mít řadu mechanismů, včetně grahamových,“ říká Clark.
abychom vysvětlili, jak sova potlačuje hluk, pomohlo by to zjistit, odkud hluk pochází. Pro letoun přichází v pro přistání, velkou část hluku přichází z motoru, ale z proudění vzduchu kolem letadla, zejména reprodukovaný zvuk na odtokové hraně křídla. Turbulentní vzduch spěchající kolem odkrytých okrajů křídel se promítá do tupého řevu, který slyšíte, když letadlo letí nad hlavou.
vědci vyškolili floridskou sovu (Strix varia alleni), aby proletěla speciální nahrávací místností. Klouzavé sovy generovaly velmi málo zvuku v rozsahu lidského sluchu (lidé mohou slyšet zvuky nad přerušovanou čarou). Nízkofrekvenční zvuky vydávané owl flight jsou neslyšitelné, bez ohledu na vzdálenost. Lidé mohou slyšet letový hluk ve frekvencích středního rozsahu, když je sova od jednoho do tří metrů. Sova křídla a peří jsou obzvláště dobře tlumí vyšší frekvence zvuků, které lze slyšet pouze tehdy, je-li osoba stojící v metru hluku.
jedním ze způsobů, jak snížit tento hluk, by bylo, aby zadní hrana křídla byla méně tvrdá, poréznější a pružnější. To může být funkce otrhaných třásní křídla sovy. Jaworski a Peake si matematicky vypočítat, jak inženýři mohou použít jako pórovitost a pružnost pro snížení hluku, a jak kvantifikovat, že se zmenšil din.
tyto výpočty jsou podporovány experimenty v aerodynamickém tunelu: různé porézní materiály snižují hluk. Práce Thomas Geyer na Brandenburg University of Technology v Německu zjistil, že poroelastic křídlo velikost sova, může být o 2 až 5 decibelů tišší než běžné křídlo.
nicméně, říká Geyer, správný porézní materiál je rozhodující; v testech aerodynamického tunelu některé materiály skutečně zvýšily vysokofrekvenční šum. Měření sov za letu ukazují, že jejich křídla ztlumí pouze frekvence vyšší než 1600 hertzů (na klavíru, dvě a půl oktávy nad středem C). Vzhledem k tomu, že to je zhruba tam, kde začíná rozsah slyšení hlodavců, je to rozsah, který by sova měla největší prospěch z potlačení, když loví jídlo.
Jaworski a Ian Clark (žádný vztah k Christopherovi) z Langley Research Center NASA se pokusili napodobit samet sovy zakrytím standardního profilu různými druhy tkaniny. „Vítězným textilem byl svatební závoj,“ říká Jaworski. Nemusí však být nutné darovat své svatební doplňky vědě, protože vědci dosáhli ještě lepších výsledků připojením malých plastových 3-D-tištěných „finletů“ k lopatkám větrné turbíny.
Výzkum naznačuje, že sova křídla mají tři vlastnosti, které přispívají k jejich tichý let: „hřeben“ strukturu (viditelné na křídlo vpravo nahoře), otrhané odtokové hrany (viditelné podél spodní části křídla) a sametový materiál, který pokrývá většinu levé horní části křídla. Struktura hřebenu z jiného vzorku je zobrazena zblízka dole.
KREDIT: THOMAS GEYER
„Přes určitý frekvenční rozsah, viděli jsme, 10-decibel snížení hluku,“ Jaworski říká. „To nemusí znít jako moc, ale ve vzduchové akustice inženýři bojují o dva nebo tři decibely. Deset decibelů je o polovinu hlučnější. To je obrovská změna pro každou technologii.“Siemens, výrobce větrných turbín, zjevně poslouchal a nedávno představil své druhé generace turbín „Dino Tail“, které mají hřebeny přímo inspirované křídlem owl.
Lehoučké enigma
Když sova křídla poskytují nové pohledy na snižování hluku pro letecké inženýrství, inženýři měli menší úspěch popisující fyziku sova letu. Podle ornitologa Clarka inženýři možná ani nezjistili nejdůležitější zdroj hluku v sovím letectví.
pokud se snažíte postavit sovu, spíše než větrnou turbínu nebo letadlo, všimnete si několika rozdílů. Sovy mají peří; letadla ne. Sovy klapka svá křídla, letadla ne. Tam je dobrý důvod, že letecké inženýry přednost stacionární, pevné křídla mávání, nadýchaní: Oni jsou srozumitelnější.
ale pokud jste biolog, ignorovat mávání znamená ignorovat základní složku v letu ptáků, říká Clark. Jako ptačí křídla klapka mění tvar, a jak se mění tvar peří třít proti sobě, což způsobuje hluk. Tento hluk je třecí, ne aerodynamický, produkovaný kontaktem pevné látky proti pevné látce.
podle Clarkova názoru je účelem sametu sovy a třásní snížit třecí hluk mezi peřím při mávání. Clark připouští, že jeho argument by byl zbytečný, pokud sovy klouzal při lovu, ale video důkazy ukazují, že ne: Oni klapky při vzletu se klapky při přistání a dokonce klapka, když „coursing“ na kořist.
vědci, kteří se snaží pochopit, proč se let sovy liší od ostatních ptáků, studovali vzorce turbulence, které zůstaly v jejich brázdě. Zde víry víří za počítačem animovanou velkou rohatou sovu, kterou vytvořili Roi Gurka a Elias Balaras pomocí dat získaných z experimentů v aerodynamickém tunelu. Červená a modrá označují víry, které se točí v opačných směrech. Ve srovnání s jinými ptáky, jako jsou pískovci a evropští špačci, jsou víry sovy malé a neuspořádané a za sovou se příliš nezaostávají. Mechanismus, kterým sova potlačuje tyto víry, ještě není pochopen.
KREDIT: ROI GURKA
A třásně jsou nejen na odtokové hraně křídla, kde aerodynamické teorie by předvídat je, že mají největší hluk-snižování dávky. Třásně existují také na předních okrajích peří, kde nemají vliv na aerodynamický hluk, stejně jako na peří, které nejsou ani vystaveny proudění vzduchu. To naznačuje, že jejich účel není aerodynamický.
Clark říká, že můžeme položit otázku zpětně. Místo toho, abychom se ptali, proč jsou sovy tak tiché, měli bychom se ptát, proč jsou ostatní ptáci tak hlasití. Odpověď je peří. „Peří jsou úžasné struktury a pravděpodobně důvod, proč jsou ptáci tak úspěšní,“ říká Clark. Ale přicházejí s evolučními náklady: „pokud chcete postavit křídlo z peří, budou produkovat třecí zvuk.“Aby se sovy staly tichými lovci, vyvinuly speciální úpravy, které tuto nevýhodu snižují.
sovy nejsou jediným druhem ptáka, který tento problém vyřešil. Některé druhy australských žabomyší nezávisle vyvinuly stejné úpravy. Tito ptáci jsou také masožraví a mají křídla, která jsou měkká a načechraná s hřebeny a otrhanými třásněmi. V Grahamově dni lidé předpokládali, že žabymouty byly úzce spjaty s sovy, ale genomická analýza prokázala, že tomu tak není. I když jsou méně studovaní než sovy, jsou také tichými letci.
„evoluce se často ubírá svéráznou cestou,“ říká Clark. „Jedním ze způsobů, jak se můžete dostat domů na základní mechanické principy a rozeznat je kromě vtípků, je konvergentní evoluce.“Když mají dvě nesouvisející zvířata stejnou adaptaci, naznačuje to, že tato vlastnost přináší výhodu-v tomto případě stealth.
V současné době existují dva způsoby, jak pochopit, sova letu: strojírenská zobrazit informován rovnic pohybu kapaliny a wind-tunelu experimenty, a biologický pohled na základě anatomie, chování a genomika. Skutečně integrovaný příběh bude pravděpodobně vyžadovat obojí. Dokonce i inženýři si uvědomují, že idealizované studie založené na tuhých, nepokrytých křídlech nestačí. Je docela možné, že sova využívá své peří a drobné úpravy tvaru křídla aktivně, nikoli pasivně, manipulovat proudění vzduchu. Inženýři nejsou ani blízko k pochopení tohoto procesu, který zahrnuje několik velikostí, váhy, od ostny peří na jednotlivé peří, na celé křídlo.
„to, Co chybí nám je mikroskopického hlediska,“ říká Roi Gurka of Coastal Carolina University v Jižní Karolíně, jehož experimenty s létající sovy vedly k krásné počítačové simulace proudění oblasti kolem mávání sova křídlo. „Rozumím křídlu,“ říká, ale pochopení role, kterou hraje morfologie jednotlivého peří při snižování hluku, je jiná věc.
Zatímco vědci diskuse, sova pálená bude pokračovat v létání jako vždycky: jeho tvář jako kolo a klidný jako měsíc, jeho uši vyškoleni na jeho další jídlo a jeho peří šlapal jemně na vzduchu.