hver ugle fancier har en historie om Første gang de hørte en ugle — eller rettere ikke hørte en. Det er uforglemmeligt at se en enorm fugl, hvis vingespænde kan nå mere end seks meter, glider gennem luften uden engang en hvisken.
Justin Javerskis første tætte møde kom på en flyvende udstilling på Raptor Foundation nær Cambridge, England. “De trænede uglerne til at flyve meget tæt på publikum,” siger han. “Min første oplevelse var at dukke sig for at undgå en kollision. Jeg hørte kun en meget lille svøbe, efter at den var gået.”
Laboratoriemålinger har vist, at den lille svøbe, der er lavet af en ladeugle, ligger under tærsklen for menneskelig hørelse, indtil uglen er omkring tre meter væk — en stealth-bedrift, som biologer og ingeniører langt fra er helt forståelige. Men forskere fra begge discipliner arbejder på at løse gåden om stille flyvning — nogle med det formål at designe mere støjsvage fans, turbineblade og flyvinger.
en stor grå ugle finder en aborre på ingeniør Justin.
kredit: JUSTIN
sådanne ugleinspirerede innovationer kan reducere støj med så meget som 10 decibel, svarende til forskellen i støj mellem en passerende lastbil og en passerende bil.
gå blid
Jaavski, ingeniør ved Lehigh University i Pennsylvania, er næppe den første videnskabsmand, der bliver betaget af puslespillet om stille ugleflyvning. I 1934 Robert Rule Graham — En britisk pilot og fuglekender — henledte opmærksomheden på tre strukturer på uglevinger, der muligvis kunne redegøre for uglernes stilhed.
mere end 80 år senere citeres hans “tre trækparadigme”, som Christopher Clark kalder det, stadig i mange papirer om uglevinger. “Han kendte tydeligt fugle meget godt, og han var luftfartsingeniør,” siger Clark, en ornitolog ved University of California, Riverside. “Videnskaben var anderledes i 1930′ erne.i vores alder af specialisering får du ikke den kombination.”
først påpegede Graham en usædvanlig struktur kaldet” kammen”, der bogstaveligt talt ligner en kam, der rager fremad fra vingens forkant. For det andet bemærkede han, at det meste af uglefløjen er dækket af et blødt lag fløjlsagtige fjer. Endelig bemærkede han, at fjerene på bagkanten af vingen danner en ujævn frynse.
de fleste forskere er stadig enige om, at kammen, fløjl og frynser kombineres på en eller anden måde for at reducere støj, men uglen kan have flere tricks i ærmet. “Når alt er sagt og gjort, tror jeg, vi vil have en række mekanismer, herunder Grahams,” siger Clark.
for at forklare, hvordan en ugle undertrykker støj, ville det hjælpe med at identificere, hvor støjen kommer fra i første omgang. For et fly, der kommer ind til landing, kommer en stor del af støjen ikke fra motorerne, men fra luftstrømmen omkring flyet, især lyden produceret ved bagkanten af vingerne. Den turbulente luft, der haster forbi de udsatte kanter på vingerne, oversættes til det kedelige brøl, du hører, når flyet flyver over hovedet.
forskere trænede en Florida spærret ugle (Strik varia alleni) til at flyve gennem et specielt optagelokale. Svæveuglerne genererede meget lidt lyd inden for rækkevidde af menneskelig hørelse (folk kan høre lyde over den stiplede linje). Lavfrekvente lyde fra ugleflyvning er uhørlige, uanset afstanden. Mennesker kan høre flystøj i mellemfrekvenserne, når uglen er mellem en og tre meter væk. Uglevinger og fjer er især gode til at dæmpe lyde med højere frekvens, som kun kan høres, hvis en person står inden for en meter fra støj.
en måde at reducere denne støj på ville være at gøre bagkanten af vingen mindre hård, mere porøs og mere fleksibel. Dette kan være funktionen af uglefløjens ujævne frynser. Javerski og Peake har matematisk beregnet, hvordan ingeniører kan bruge sådan porøsitet og elasticitet til at reducere støj, og hvordan man kvantificerer den formindskede din.
disse beregninger understøttes af vindtunneleksperimenter: en række porøse materialer slår støj ned. Arbejde af Thomas Geyer ved Brandenburg University of Technology i Tyskland har fundet ud af, at en poroelastisk fløj på størrelse med en ugle kan være omkring 2 til 5 decibel mere støjsvag end en almindelig fløj.
men, siger Geyer, er det rigtige porøse materiale afgørende; i vindtunneltestene øgede nogle materialer faktisk højfrekvent støj. Målinger af ugler under flyvning viser, at deres vinger kun dæmper frekvenser højere end 1.600 Herts (på et klaver, to og en halv oktaver over midten C). Da dette omtrent er hvor rækkevidden af gnaverhøring begynder, er det det interval, som en ugle ville have mest gavn af at undertrykke, da den jager efter et måltid.
Jaavski og Ian Clark (ingen relation til Christopher) fra NASAs Langley Research Center har forsøgt at efterligne uglens fløjl ved at dække en standard airfoil med forskellige slags stof. “Det vindende Tekstil var et bryllupsslør,” siger jav. Det er dog muligvis ikke nødvendigt at donere dit bryllupstilbehør til videnskaben, fordi forskerne fik endnu bedre resultater ved at fastgøre små plastik 3-D–trykte “finlets” til bladene på en vindmølle.
forskning tyder på, at uglevinger har tre funktioner, der bidrager til deres tavse flyvning: en” kam ” struktur (lige synlig øverst til højre på vingen), ujævne bagkanter (synlige langs bunden af vingen) og et fløjlsagtigt materiale, der dækker meget af vingens øverste venstre side. Kamstrukturen fra en anden prøve vises nærbillede i bunden.
kredit: THOMAS GEYER
“Over et bestemt frekvensområde så vi en 10-decibel støjreduktion,” siger han. “Det lyder måske ikke af meget, men i luftakustik kæmper ingeniører over to eller tre decibel. Ti decibel er halvt så støjende. Det er en massiv ændring for enhver teknologi.”Siemens, en producent af vindmøller, har tilsyneladende lyttet og afslørede for nylig sin anden generation af “Dino Tail”-turbiner, der har kamme direkte inspireret af uglefløjen.
Feathery enigma
selvom uglevinger giver ny indsigt i støjreduktion for luftfartsteknik, har ingeniører haft mindre succes med at beskrive ugleflyvningens fysik. Ifølge ornitolog Clark har ingeniørerne måske ikke engang identificeret den vigtigste støjkilde i ugleflyvning.
hvis du forsøger at bygge en ugle, snarere end en vindmølle eller et fly, vil du bemærke flere forskelle. Ugler har fjer; fly gør det ikke. ugler klapper med vingerne; fly gør det ikke. der er en god grund til, at luftfartsingeniører foretrækker stationære, solide vinger frem for at klappe, fjeragtige: de er lettere at forstå.
men hvis du er biolog, er det at ignorere flapping at ignorere en grundlæggende ingrediens i aviær flyvning, siger Clark. Når Fuglevinger klapper, ændrer de form, og når de ændrer form, gnider fjerene mod hinanden og forårsager støj. Denne støj er friktion, ikke aerodynamisk, produceret ved kontakt af fast stof mod fast stof.
efter Clarks opfattelse er formålet med uglens fløjl og frynser at reducere friktionsstøj mellem fjerene, mens de klapper. Clark indrømmer, at hans argument ville være omstridt, hvis ugler gled under jagt, men videobevis viser, at de ikke gør det: de klapper, når de starter, de klapper, når de lander, og de klapper endda, når de “løber” efter bytte.
forskere, der søger at forstå, hvorfor uglens flyvning adskiller sig fra andre fugle, har studeret de turbulensmønstre, der er tilbage i deres kølvand. Her hvirvler hvirvler bag en computeranimeret stor hornet ugle, skabt af Roi Gurka og Elias Balaras ved hjælp af data indsamlet fra vindtunneleksperimenter. Rød og blå indikerer hvirvler, der spinder i modsatte retninger. Sammenlignet med andre fugle som sandpipere og europæiske starlings er uglens hvirvler små og uorganiserede og sporer ikke meget langt bag uglen. Mekanismen, hvormed uglen undertrykker disse hvirvler, er endnu ikke forstået.
kredit: ROI GURKA
og frynserne er ikke kun på bagkanten af vingen, hvor den aerodynamiske teori ville forudsige, at de havde den største støjreducerende fordel. Frynser findes også på fjerens forkanter, hvor de ikke påvirker aerodynamisk støj, såvel som på nogle fjer, der ikke engang udsættes for luftstrømmen. Dette tyder på, at deres formål ikke er aerodynamisk.
Clark siger, at vi måske stiller spørgsmålet baglæns. I stedet for at spørge, hvorfor ugler er så stille, bør vi spørge, hvorfor andre fugle er så høje. Svaret er fjer. “Fjer er fantastiske strukturer, og sandsynligvis grunden til, at fugle er så succesrige,” siger Clark. Men de kommer med en evolutionær pris: “hvis du skal bygge en vinge ud af fjer, vil de producere friktionslyd.”For at blive tavse jægere udviklede ugler specielle tilpasninger, der reducerer denne ulempe.
ugler er ikke den eneste slags fugl, der har løst dette problem. Nogle arter af australske frogmouths har uafhængigt udviklet de samme tilpasninger. Disse fugle er også kødædende og har vinger, der er bløde og fluffy med kamme og ragged frynser. På Grahams dag antog folk, at frogmouths var tæt beslægtet med ugler, men genomisk analyse har vist, at de ikke er det. Mens de er mindre studerede end ugler, er de også tavse flyers.
“Evolution tager ofte en finurlig vej,” siger Clark. “En måde, du kan komme ind på de underliggende mekaniske principper og fortælle dem bortset fra særheder, er med konvergent evolution.”Når to ikke-relaterede dyr har den samme tilpasning, antyder det, at funktionen giver en fordel — i dette tilfælde stealth.
på nuværende tidspunkt er der to måder at forstå ugleflyvning på: et teknisk syn informeret af ligningerne af væskebevægelse og vindtunneleksperimenter og et biologisk syn baseret på anatomi, adfærd og genomik. En virkelig integreret historie vil sandsynligvis kræve begge dele. Selv ingeniører indser, at idealiserede undersøgelser baseret på stive, ufjærede vinger ikke er nok. Det er meget muligt, at uglen bruger sine fjer og små formjusteringer af vingen aktivt snarere end passivt til at manipulere luftstrømmen. Ingeniører er ikke engang tæt på at forstå denne proces, der spænder over flere størrelsesskalaer, fra fjerene til de enkelte fjer til hele vingen.
“hvad der mangler for os er det mikroskopiske synspunkt,” siger Roi Gurka fra Coastal Carolina University i South Carolina, hvis eksperimenter med flyvende ugler har ført til smukke computersimuleringer af strømningsfeltet omkring en flagrende uglefløj. “Jeg forstår vingen,” siger han, men at forstå den rolle, som individuel fjermorfologi spiller i støjreduktion, er en anden sag.
mens forskerne diskuterer, vil ladeuglen fortsætte med at flyve, som den altid har gjort: dens ansigt så rundt og uigennemtrængeligt som månen, dens ører trænet på sit næste måltid og dens fjer træder forsigtigt i luften.