Jeder Eulenzüchter hat eine Geschichte über das erste Mal, dass er eine Eule hörte — oder besser gesagt, keine hörte. Es ist unvergesslich, einen riesigen Vogel zu sehen, dessen Flügelspannweite mehr als sechs Fuß erreichen kann und ohne ein Flüstern durch die Luft gleitet.
Justin Jaworskis erste Begegnung fand auf einer Flugausstellung in der Raptor Foundation in der Nähe von Cambridge, England, statt. „Sie haben die Eulen trainiert, sehr nahe am Publikum zu fliegen“, sagt er. „Meine erste Erfahrung war, mich zu ducken, um eine Kollision zu vermeiden. Ich hörte nur ein sehr leichtes Swoosh, nachdem es vorbei war.“
Labormessungen haben gezeigt, dass das leichte Rauschen einer Schleiereule unter der Schwelle des menschlichen Gehörs liegt, bis die Eule etwa drei Fuß entfernt ist — eine heimliche Leistung, die Biologen und Ingenieure noch lange nicht vollständig verstehen. Doch Forscher beider Disziplinen arbeiten daran, das Rätsel des lautlosen Fluges zu lösen — zum Teil mit dem Ziel, leisere Lüfter, Turbinenschaufeln und Flugzeugflügel zu konstruieren.
Eine große graue Eule (Strix nebulosa) findet einen Barsch auf Ingenieur Justin Jaworski.
BILDNACHWEIS: JUSTIN JAWORSKI
Solche von der Eule inspirierten Innovationen können den Lärm um bis zu 10 Dezibel reduzieren, ähnlich wie der Geräuschunterschied zwischen einem vorbeifahrenden LKW und einem vorbeifahrenden Auto, schreiben Jaworski und Nigel Peake in einem Überblick im 2020 Annual Review of Fluid Mechanics.
Go gentle
Jaworski, Ingenieur an der Lehigh University in Pennsylvania, ist kaum der erste Wissenschaftler, der vom Rätsel des stillen Eulenfluges fasziniert ist. 1934 machte Robert Rule Graham — ein britischer Pilot und Vogelkenner – auf drei Strukturen auf Eulenflügeln aufmerksam, die für das Schweigen der Eulen verantwortlich sein könnten.
Mehr als 80 Jahre später wird sein „Drei-Eigenschaften-Paradigma“, wie Christopher Clark es nennt, immer noch in vielen Artikeln über Eulenflügel zitiert. „Er kannte Vögel eindeutig sehr gut und war Luftfahrtingenieur“, sagt Clark, Ornithologe an der University of California in Riverside. „In den 1930er Jahren war die Wissenschaft anders. In unserem Zeitalter der Spezialisierung gibt es diese Kombination nicht.“
Zuerst wies Graham auf eine ungewöhnliche Struktur namens „Kamm“hin, die buchstäblich wie ein Kamm aussieht, der von der Vorderkante des Flügels nach vorne ragt. Zweitens bemerkte er, dass der größte Teil des Eulenflügels mit einer weichen Schicht samtiger Federn bedeckt ist. Schließlich beobachtete er, dass die Federn an der Hinterkante des Flügels einen zerlumpten Rand bilden.
Die meisten Forscher sind sich immer noch einig, dass der Kamm, der Samt und die Fransen in irgendeiner Weise kombiniert werden, um Lärm zu reduzieren, aber die Eule hat möglicherweise mehr Tricks im Ärmel. „Wenn alles gesagt und getan ist, denke ich, dass wir eine Reihe von Mechanismen haben werden, einschließlich Grahams“, sagt Clark.
Um zu erklären, wie eine Eule Geräusche unterdrückt, würde es helfen, herauszufinden, woher der Lärm überhaupt kommt. Für ein Flugzeug, das zur Landung kommt, kommt ein großer Teil des Lärms nicht von den Triebwerken, sondern von der Luftströmung um das Flugzeug herum, insbesondere von dem Schall, der an der Hinterkante der Flügel erzeugt wird. Die turbulente Luft, die an den freiliegenden Kanten der Flügel vorbeirauscht, führt zu dem dumpfen Gebrüll, das Sie hören, wenn das Flugzeug über Ihnen fliegt.
Forscher trainierten eine Florida barred owl (Strix varia alleni), um durch einen speziellen Aufnahmeraum zu fliegen. Die gleitenden Eulen erzeugten sehr wenig Geräusche im Bereich des menschlichen Gehörs (Menschen können Geräusche oberhalb der gestrichelten Linie hören). Niederfrequente Geräusche, die durch Eulenflug erzeugt werden, sind unabhängig von der Entfernung unhörbar. Menschen können Fluggeräusche im mittleren Frequenzbereich hören, wenn die Eule zwischen einem und drei Metern entfernt ist. Eulenflügel und Federn dämpfen besonders gut höherfrequente Geräusche, die nur zu hören sind, wenn eine Person innerhalb eines Meters des Geräusches steht.
Eine Möglichkeit, dieses Geräusch zu reduzieren, wäre, die Hinterkante des Flügels weniger hart, poröser und flexibler zu machen. Dies kann die Funktion der zerlumpten Fransen des Eulenflügels sein. Jaworski und Peake haben mathematisch berechnet, wie Ingenieure diese Porosität und Elastizität nutzen könnten, um Lärm zu reduzieren, und wie man diese verminderte Lärm quantifiziert.
Diese Berechnungen werden durch Windkanalexperimente unterstützt: Eine Vielzahl von porösen Materialien verringern das Rauschen. Arbeiten von Thomas Geyer an der Brandenburgischen Technischen Universität in Deutschland haben ergeben, dass ein poroelastischer Flügel von der Größe einer Eule etwa 2 bis 5 Dezibel leiser sein kann als ein normaler Flügel.
Entscheidend sei aber das richtige poröse Material, sagt Geyer; in den Windkanaltests erhöhten einige Materialien tatsächlich das hochfrequente Rauschen. Messungen von Eulen im Flug zeigen, dass ihre Flügel nur Frequenzen über 1.600 Hertz stummschalten (auf einem Klavier zweieinhalb Oktaven über dem mittleren C). Da dies ungefähr dort ist, wo der Bereich des Nagetierhörens beginnt, ist es der Bereich, den eine Eule am meisten von der Unterdrückung profitieren würde, wenn sie nach einer Mahlzeit jagt.
Jaworski und Ian Clark (keine Beziehung zu Christopher) vom Langley Research Center der NASA haben versucht, den Samt der Eule nachzuahmen, indem sie ein Standard-Tragflächenprofil mit verschiedenen Arten von Stoff bedeckten. „Das Gewinnertextil war ein Hochzeitsschleier“, sagt Jaworski. Es ist jedoch möglicherweise nicht erforderlich, Ihr Hochzeitszubehör für die Wissenschaft zu spenden, da die Forscher noch bessere Ergebnisse erzielten, indem sie winzige 3-D–gedruckte „Finlets“ aus Kunststoff an den Blättern einer Windkraftanlage befestigten.
Untersuchungen legen nahe, dass Eulenflügel drei Merkmale aufweisen, die zu ihrem leisen Flug beitragen: eine „Kamm“ -Struktur (nur oben rechts am Flügel sichtbar), zerlumpte Hinterkanten (unten am Flügel sichtbar) und ein samtiges Material, das einen Großteil der oberen linken Seite des Flügels bedeckt. Die Kammstruktur einer anderen Probe ist unten in Nahaufnahme dargestellt.
BILDNACHWEIS: THOMAS GEYER
“ Über einen bestimmten Frequenzbereich sahen wir eine Geräuschreduzierung von 10 Dezibel „, sagt Jaworski. „Das klingt vielleicht nicht nach viel, aber in der Luftakustik kämpfen Ingenieure um zwei oder drei Dezibel. Zehn Dezibel sind halb so laut. Das ist eine massive Veränderung für jede Technologie.“ Siemens, ein Hersteller von Windkraftanlagen, hat anscheinend zugehört und kürzlich seine „Dino Tail“ -Turbinen der zweiten Generation vorgestellt, deren Kämme direkt vom Eulenflügel inspiriert sind.
Feathery enigma
Obwohl Eulenflügel neue Einblicke in die Geräuschreduzierung für die Luftfahrttechnik bieten, hatten Ingenieure weniger Erfolg bei der Beschreibung der Physik des Eulenfluges. Laut dem Ornithologen Clark haben die Ingenieure möglicherweise nicht einmal die wichtigste Lärmquelle in der Eulenluftfahrt identifiziert.
Wenn Sie versuchen, eine Eule zu bauen, anstatt eine Windkraftanlage oder ein Flugzeug, werden Sie einige Unterschiede feststellen. Eulen haben Federn; Flugzeuge nicht. Eulen schlagen mit den Flügeln; Flugzeuge nicht. Es gibt einen guten Grund, warum Luftfahrtingenieure stationäre, feste Flügel flatternden, gefiederten vorziehen: Sie sind leichter zu verstehen.
Aber wenn Sie ein Biologe sind, ignorieren Sie das Flattern, um eine grundlegende Zutat im Vogelflug zu ignorieren, sagt Clark. Wenn Vogelflügel flattern, ändern sie ihre Form, und wenn sie ihre Form ändern, reiben die Federn aneinander und verursachen Lärm. Dieses Geräusch ist reibend, nicht aerodynamisch, erzeugt durch den Kontakt von Feststoff gegen Feststoff.
Aus Clarks Sicht besteht der Zweck des Samts und der Fransen der Eule darin, Reibungsgeräusche zwischen den Federn beim Flattern zu reduzieren. Clark räumt ein, dass sein Argument strittig wäre, wenn Eulen während der Jagd gleiten würden, aber Videobeweise zeigen, dass sie dies nicht tun: Sie flattern beim Abheben, sie flattern bei der Landung und sie flattern sogar beim „Coursing“ nach Beute.
Wissenschaftler, die verstehen wollen, warum sich der Flug der Eule von anderen Vögeln unterscheidet, haben die Turbulenzmuster untersucht, die in ihrem Gefolge zurückbleiben. Hier wirbeln Wirbel hinter einer computeranimierten Großen Gehörnten Eule, die von Roi Gurka und Elias Balaras mit Daten aus Windkanalexperimenten erstellt wurde. Rot und Blau zeigen Wirbel an, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Im Vergleich zu anderen Vögeln wie Strandläufern und europäischen Staren sind die Wirbel der Eule klein und unorganisiert und bleiben nicht sehr weit hinter der Eule zurück. Der Mechanismus, durch den die Eule diese Wirbel unterdrückt, ist noch nicht verstanden.
KREDIT: ROI GURKA
Und die Fransen befinden sich nicht nur an der Hinterkante des Flügels, wo die aerodynamische Theorie vorhersagen würde, dass sie den größten geräuschreduzierenden Nutzen haben. Fransen gibt es auch an den Vorderkanten der Federn, wo sie das aerodynamische Geräusch nicht beeinflussen, sowie an einigen Federn, die nicht einmal dem Luftstrom ausgesetzt sind. Dies deutet darauf hin, dass ihr Zweck nicht aerodynamisch ist.
Clark sagt, dass wir die Frage vielleicht rückwärts stellen. Anstatt zu fragen, warum Eulen so leise sind, sollten wir fragen, warum andere Vögel so laut sind. Die Antwort sind Federn. „Federn sind erstaunliche Strukturen und wahrscheinlich der Grund, warum Vögel so erfolgreich sind“, sagt Clark. Aber sie haben evolutionäre Kosten: „Wenn Sie einen Flügel aus Federn bauen, erzeugen sie Reibungsgeräusche.“ Um stille Jäger zu werden, entwickelten Eulen spezielle Anpassungen, die diesen Nachteil verringern.
Eulen sind nicht die einzige Vogelart, die dieses Problem gelöst hat. Einige Arten australischer Froschmäuler haben unabhängig voneinander die gleichen Anpassungen entwickelt. Diese Vögel sind auch fleischfressend und haben Flügel, die weich und flauschig mit Kämmen und zerlumpten Fransen sind. Zu Grahams Zeiten gingen die Menschen davon aus, dass Froschmäuler eng mit Eulen verwandt waren, aber die genomische Analyse hat bewiesen, dass dies nicht der Fall ist. Obwohl sie weniger erforscht sind als Eulen, sind auch sie stille Flieger.
„Die Evolution nimmt oft einen eigenartigen Weg“, sagt Clark. „Eine Möglichkeit, die zugrunde liegenden mechanischen Prinzipien zu verstehen und sie von Macken zu unterscheiden, ist die konvergente Evolution.“ Wenn zwei nicht verwandte Tiere die gleiche Anpassung haben, deutet dies darauf hin, dass das Merkmal einen Nutzen bringt — in diesem Fall Stealth.
Gegenwärtig gibt es zwei Möglichkeiten, den Eulenflug zu verstehen: eine technische Sichtweise, die auf den Gleichungen der Flüssigkeitsbewegung und Windkanalexperimenten beruht, und eine biologische Sichtweise, die auf Anatomie, Verhalten und Genomik basiert. Eine wirklich integrierte Geschichte wird wahrscheinlich beides erfordern. Selbst Ingenieure erkennen, dass idealisierte Studien, die auf starren, ungefederten Flügeln basieren, nicht ausreichen. Es ist durchaus möglich, dass die Eule ihre Federn und kleine Formanpassungen des Flügels aktiv und nicht passiv verwendet, um den Luftstrom zu manipulieren. Ingenieure sind nicht einmal annähernd in der Lage, diesen Prozess zu verstehen, der mehrere Größenskalen umfasst, von den Widerhaken der Federn über die einzelnen Federn bis hin zum gesamten Flügel.
„Was uns fehlt, ist die mikroskopische Sichtweise“, sagt Roi Gurka von der Coastal Carolina University in South Carolina, deren Experimente mit fliegenden Eulen zu schönen Computersimulationen des Strömungsfeldes um einen flatternden Eulenflügel geführt haben. „Ich verstehe den Flügel“, sagt er, aber die Rolle der individuellen Federmorphologie bei der Geräuschreduzierung zu verstehen, ist eine andere Sache.
Während die Wissenschaftler diskutieren, wird die Schleiereule weiterfliegen, wie sie es immer getan hat: Ihr Gesicht ist so rund und unerschütterlich wie der Mond, ihre Ohren sind auf ihre nächste Mahlzeit trainiert und ihre Federn treten sanft in die Luft.