Cada aficionado a los búhos tiene una historia de la primera vez que escucharon a un búho — o, más bien, no escucharon uno. Es inolvidable ver un pájaro enorme, cuya envergadura puede alcanzar más de seis pies, deslizándose por el aire sin siquiera un susurro.
El primer encuentro cercano de Justin Jaworski se produjo en una exposición de vuelo en la Fundación Raptor cerca de Cambridge, Inglaterra. «Entrenaron a los búhos para que volaran muy cerca de la audiencia», dice. «Mi primera experiencia fue esquivar para evitar una colisión. Solo escuché un ligero zumbido después de que pasó.»
Las mediciones de laboratorio han demostrado que el ligero zumbido hecho por una lechuza común está por debajo del umbral de audición humana hasta que la lechuza está a unos tres pies de distancia, una hazaña de sigilo que los biólogos e ingenieros están lejos de comprender completamente. Pero investigadores de ambas disciplinas están trabajando para resolver el enigma del vuelo silencioso, algunos con el objetivo de diseñar ventiladores, álabes de turbina y alas de avión más silenciosos.
Un gran búho gris (Strix nebulosa) encuentra una percha en el ingeniero Justin Jaworski.
CRÉDITO: JUSTIN JAWORSKI
Estas innovaciones inspiradas en el búho pueden reducir el ruido hasta en 10 decibelios, similar a la diferencia de ruido entre un camión que pasa y un automóvil que pasa, escriben Jaworski y Nigel Peake en un resumen en la Revisión Anual de Mecánica de Fluidos de 2020.
Go gentle
Jaworski, un ingeniero de la Universidad de Lehigh en Pensilvania, no es el primer científico en cautivarse por el rompecabezas de silent owl flight. En 1934, Robert Rule Graham, un piloto británico y experto en aves, llamó la atención sobre tres estructuras en las alas de los búhos que podrían explicar el silencio de los búhos.
Más de 80 años después, su «paradigma de los tres rasgos», como lo llama Christopher Clark, todavía se cita en muchos artículos sobre alas de búho. «Claramente conocía muy bien a las aves, y era ingeniero aeronáutico», dice Clark, ornitólogo de la Universidad de California, en Riverside. «La ciencia era diferente en la década de 1930. En nuestra era de especialización, no se obtiene esa combinación.»
Primero, Graham señaló una estructura inusual llamada «peine», que literalmente se parece a un peine que se proyecta hacia adelante desde el borde de ataque del ala. En segundo lugar, señaló que la mayor parte del ala del búho está cubierta con una capa suave de plumas aterciopeladas. Finalmente, observó que las plumas en el borde posterior del ala forman una franja irregular.
La mayoría de los investigadores todavía están de acuerdo en que el peine, el terciopelo y el flequillo se combinan de alguna manera para reducir el ruido, pero el búho puede tener más trucos bajo la manga. «Cuando todo esté dicho y hecho, creo que tendremos una serie de mecanismos, incluido el de Graham», dice Clark.
Para explicar cómo un búho suprime el ruido, ayudaría a identificar de dónde proviene el ruido en primer lugar. Para un avión que viene para aterrizar, una gran parte del ruido no proviene de los motores, sino del flujo de aire alrededor del avión, especialmente el sonido producido en el borde de fuga de las alas. El aire turbulento que pasa por los bordes expuestos de las alas se traduce en el rugido sordo que se oye mientras el avión vuela por encima.
Los investigadores entrenaron a un búho barrado de Florida (Strix varia alleni) para volar a través de una sala de grabación especial. Los búhos deslizantes generaban muy poco sonido en el rango de audición humana (las personas pueden escuchar sonidos por encima de la línea discontinua). Los sonidos de baja frecuencia producidos por el vuelo de búho son inaudibles, sin importar la distancia. Los humanos pueden oír ruido de vuelo en las frecuencias de rango medio cuando el búho está entre uno y tres metros de distancia. Las alas y plumas de búho son especialmente buenas para amortiguar los sonidos de mayor frecuencia, que solo se pueden escuchar si una persona está de pie a menos de un metro del ruido.
Una forma de reducir este ruido sería hacer que el borde de fuga del ala sea menos duro, más poroso y más flexible. Esta puede ser la función de los flecos irregulares del ala del búho. Jaworski y Peake han calculado matemáticamente cómo los ingenieros podrían usar tal porosidad y elasticidad para reducir el ruido, y cómo cuantificar ese din disminuido.
Estos cálculos están respaldados por experimentos en túneles de viento: una variedad de materiales porosos reducen el ruido. El trabajo de Thomas Geyer en la Universidad Tecnológica de Brandeburgo en Alemania ha descubierto que un ala poroelástica del tamaño de un búho puede ser de 2 a 5 decibelios más silenciosa que un ala normal.
Sin embargo, dice Geyer, el material poroso adecuado es crucial; en las pruebas del túnel de viento, algunos materiales en realidad aumentaron el ruido de alta frecuencia. Las mediciones de búhos en vuelo muestran que sus alas silencian solo frecuencias superiores a 1600 hercios (en un piano, dos octavas y media por encima del Do medio). Dado que aquí es aproximadamente donde comienza el rango de audición de los roedores, es el rango que un búho se beneficiaría más de suprimir mientras caza para comer.
Jaworski e Ian Clark (sin relación con Christopher) del Centro de Investigación Langley de la NASA han intentado imitar el terciopelo del búho cubriendo un perfil aerodinámico estándar con varios tipos de tela. «El textil ganador fue un velo de novia», dice Jaworski. Sin embargo, puede que no sea necesario donar sus accesorios nupciales a la ciencia, porque los investigadores obtuvieron resultados aún mejores al unir pequeños «aletas» de plástico impresas en 3D a las aspas de una turbina eólica.
Las investigaciones sugieren que las alas de búho tienen tres características que contribuyen a su vuelo silencioso: una estructura de «peine» (solo visible en la parte superior derecha del ala), bordes finales irregulares (visibles a lo largo de la parte inferior del ala) y un material aterciopelado que cubre gran parte de la parte superior izquierda del ala. La estructura del peine de una muestra diferente se muestra de cerca en la parte inferior.
CRÉDITO: THOMAS GEYER
«En un rango de frecuencia determinado, vimos una reducción de ruido de 10 decibelios», dice Jaworski. «Puede que no suene mucho, pero en la acústica del aire, los ingenieros se pelean por dos o tres decibelios. Diez decibelios son la mitad de ruidosos. Es un cambio masivo para cualquier tecnología.»Siemens, un fabricante de turbinas eólicas, aparentemente ha estado escuchando, y recientemente dio a conocer sus turbinas «Cola de dinosaurio» de segunda generación que tienen peines inspirados directamente en el ala de búho.
Enigma plumoso
Aunque las alas de búho están proporcionando nuevos conocimientos sobre la reducción de ruido para la ingeniería aeronáutica, los ingenieros han tenido menos éxito describiendo la física del vuelo de búho. Según el ornitólogo Clark, es posible que los ingenieros ni siquiera hayan identificado la fuente de ruido más importante en owl aviation.
Si estás intentando construir un búho, en lugar de un aerogenerador o un avión, notarás varias diferencias. Los búhos tienen plumas; los aviones no. Los búhos aletean sus alas; los aviones no. Hay una buena razón por la que los ingenieros aeronáuticos prefieren alas fijas y sólidas a alas aleteadas y plumosas: son más fáciles de entender.
Pero si eres biólogo, ignorar el aleteo es ignorar un ingrediente fundamental en el vuelo de las aves, dice Clark. A medida que las alas de las aves se aletean, cambian de forma, y a medida que cambian de forma, las plumas se frotan entre sí, causando ruido. Este ruido es de fricción, no aerodinámico, producido por el contacto de sólido contra sólido.
En opinión de Clark, el propósito del terciopelo del búho y los flecos es reducir el ruido de fricción entre las plumas mientras aletean. Clark admite que su argumento podría ser discutible si las lechuzas se deslizó mientras que la caza, pero la evidencia de video muestra que no: Se solapa al despegar, se solapa al aterrizar y que incluso colgajo cuando «corriendo» para la presa.
Los científicos que buscan entender por qué el vuelo del búho difiere de otras aves han estudiado los patrones de turbulencia que quedan a su paso. Aquí, los vórtices se arremolinan detrás de un gran búho cornudo animado por computadora, creado por Roi Gurka y Elias Balaras utilizando datos recopilados de experimentos en túneles de viento. El rojo y el azul indican vórtices girando en direcciones opuestas. En comparación con otras aves, como los correlimos y los estorninos europeos, los vórtices del búho son pequeños y desorganizados, y no van muy lejos detrás del búho. El mecanismo por el cual el búho suprime estos vórtices aún no se entiende.
CRÉDITO: ROI GURKA
Y los flecos no solo están en el borde de fuga del ala, donde la teoría aerodinámica predice que tienen el mayor beneficio para reducir el ruido. También existen flecos en los bordes delanteros de las plumas, donde no afectan el ruido aerodinámico, así como en algunas plumas que ni siquiera están expuestas al flujo de aire. Esto sugiere que su propósito no es aerodinámico.
Clark dice que podemos estar haciendo la pregunta hacia atrás. En lugar de preguntar por qué los búhos son tan silenciosos, deberíamos preguntar por qué otras aves son tan ruidosas. La respuesta es plumas. «Las plumas son estructuras increíbles, y probablemente la razón por la que las aves tienen tanto éxito», dice Clark. Pero tienen un costo evolutivo: «Si vas a construir un ala con plumas, van a producir sonido de fricción.»Para convertirse en cazadores silenciosos, los búhos desarrollaron adaptaciones especiales que reducen esta desventaja.
Los búhos no son el único tipo de ave que ha resuelto este problema. Algunas especies de bocas de rana australianas han desarrollado independientemente las mismas adaptaciones. Estas aves también son carnívoras y tienen alas suaves y esponjosas con peines y flecos irregulares. En la época de Graham, la gente asumía que las bocas de rana estaban estrechamente relacionadas con los búhos, pero el análisis genómico ha demostrado que no lo están. Aunque son menos estudiados que los búhos, también son voladores silenciosos.
» La evolución a menudo toma un camino peculiar», dice Clark. «Una forma en la que puedes adentrarte en los principios mecánicos subyacentes, y distinguirlos de las peculiaridades, es con la evolución convergente.»Cuando dos animales no relacionados tienen la misma adaptación, sugiere que la característica confiere un beneficio, en este caso, sigilo.
En la actualidad, hay dos maneras de entender el vuelo del búho: una visión de ingeniería basada en las ecuaciones de los experimentos de movimiento de fluidos y túnel de viento, y una visión biológica basada en la anatomía, el comportamiento y la genómica. Una historia verdaderamente integrada probablemente requerirá ambas cosas. Incluso los ingenieros se dan cuenta de que los estudios idealizados basados en alas rígidas y sin escudo no son suficientes. Es muy posible que el búho use sus plumas y pequeños ajustes de forma del ala de forma activa, en lugar de pasiva, para manipular el flujo de aire. Los ingenieros ni siquiera están cerca de entender este proceso, que abarca varias escalas de tamaño, desde las púas de las plumas hasta las plumas individuales, hasta todo el ala.
» Lo que nos falta es el punto de vista microscópico», dice Roi Gurka de la Universidad Costera de Carolina del Sur, cuyos experimentos con búhos voladores han llevado a hermosas simulaciones por computadora del campo de flujo alrededor de un ala de búho aleteante. «Entiendo el ala», dice, pero entender el papel que desempeña la morfología individual de las plumas en la reducción del ruido es otra cuestión.
Mientras los científicos debaten, la lechuza común seguirá volando como siempre: su cara tan redonda e imperturbable como la luna, sus orejas entrenadas en su próxima comida y sus plumas pisando suavemente en el aire.