jokaisella pöllöharrastajalla on tarina ensimmäisestä kerrasta, kun he kuulivat pöllön — tai pikemminkin eivät kuulleet sellaista. On unohtumatonta nähdä valtava lintu, jonka siipien kärkiväli voi olla yli kaksi metriä, liukumassa ilman halki ilman kuiskaustakaan.
Justin Jaworskin ensimmäinen lähikohtaaminen tapahtui Lentonäyttelyssä Raptor-säätiössä lähellä Cambridgea Englannissa. ”He kouluttivat pöllöt lentämään hyvin lähellä yleisöä”, hän sanoo. ”Ensimmäinen kokemukseni oli väistäminen yhteentörmäyksen välttämiseksi. Kuulin vain pienen suhahduksen sen mentyä ohi.”
Laboratoriomittaukset ovat osoittaneet, että tornipöllön aiheuttama lievä hörähtely on ihmisen kuulokynnyksen alapuolella, kunnes pöllö on noin metrin päässä — salamyhkäisyyden taidonnäyte, jota biologit ja insinöörit eivät suinkaan täysin ymmärrä. Mutta molempien tieteenalojen tutkijat pyrkivät ratkaisemaan hiljaisen lennon arvoituksen-jotkut heistä suunnittelevat hiljaisempia puhaltimia, turbiinin siipiä ja lentokoneen siipiä.
harmaapöllö (”Strix nebulosa”) löytää ahvenen insinööri Justin Jaworskilta.
luotto: JUSTIN JAWORSKI
tällaiset pöllöhenkiset innovaatiot voivat vähentää melua jopa 10 desibeliä, samaan tapaan kuin ohikulkevan Kuorma-auton ja ohikulkevan auton välinen meluero, Jaworski ja Nigel Peake kirjoittavat Fluid Mechanics 2020 Annual Review-julkaisussa.
Go gentle
Jaworski, joka työskentelee insinöörinä Lehighin yliopistossa Pennsylvaniassa, tuskin on ensimmäinen tiedemies, jonka äänettömän pöllölennon palapeli kiehtoo. Vuonna 1934 Robert Rule Graham — Brittiläinen lentäjä ja lintujen tuntija — kiinnitti huomion kolmeen pöllön siivissä olevaan rakennelmaan, jotka saattaisivat selittää pöllöjen hiljaisuuden.
yli 80 vuotta myöhemmin hänen” kolmen ominaisuuden paradigmansa”, kuten Christopher Clark sitä kutsuu, mainitaan edelleen monissa pöllön siipiä käsittelevissä kirjoituksissa. ”Hän selvästikin tunsi linnut erittäin hyvin, ja hän oli ilmailuinsinööri”, sanoo Clark, joka työskentelee Ornitologina Kalifornian yliopistossa Riversidessa. ”Tiede oli erilaista 1930-luvulla. meidän erikoistumisaikanamme sitä yhdistelmää ei tajua.”
Graham osoitti ensin erikoisen rakenteen nimeltä ”kampa”, joka kirjaimellisesti näyttää kammalta, joka ulkonee eteenpäin Siiven etureunasta. Toiseksi hän huomautti, että suurin osa pöllön siivestä on pehmeän samettisen höyhenpeitteen peitossa. Lopuksi hän huomasi, että Siiven takareunan höyhenet muodostavat repaleisen hapsun.
useimmat tutkijat ovat edelleen yhtä mieltä siitä, että kampa, sametti ja hapsut yhdistyvät jollain tavalla melun vähentämiseksi, mutta pöllöllä voi olla hihassaan enemmänkin temppuja. ”Kun kaikki on sanottu ja tehty, uskon, että meillä on useita mekanismeja, myös Grahamin”, Clark sanoo.
jotta voitaisiin selittää, miten pöllö vaimentaa melua, se auttaisi tunnistamaan, mistä melu ylipäätään tulee. Kun lentokone tulee laskeutumaan, suuri osa melusta ei tule moottoreista vaan koneen ympärillä olevasta ilmavirrasta, erityisesti siipien takareunassa syntyvästä äänestä. Myrskyisä ilma, joka syöksyy siipien paljaiden reunojen ohi, muuttuu tylsäksi jylinäksi, jonka kuulet koneen lentäessä yläpuolella.
tutkijat kouluttivat Floridanpöllön (Strix varia alleni) lentämään erityisen äänityshuoneen läpi. Liitopöllöt synnyttivät hyvin vähän ääntä ihmisen kuuloalueella (ihmiset voivat kuulla ääniä katkoviivan yläpuolelta). Pöllölennon matalataajuiset äänet ovat kuulumattomia etäisyydestä riippumatta. Ihminen voi kuulla Lentomelun keskialueen taajuuksilla, kun pöllö on yhden ja kolmen metrin päässä. Pöllön siivet ja höyhenet vaimentavat erityisen hyvin korkeampitaajuisia ääniä, jotka voivat kuulua vain, jos ihminen seisoo metrin säteellä melusta.
yksi tapa vähentää tätä melua olisi tehdä Siiven takareunasta vähemmän kova, huokoisempi ja joustavampi. Tämä saattaa johtua pöllön Siiven repaleisista hapsuista. Jaworski ja Peake ovat laskeneet matemaattisesti, miten insinöörit voisivat käyttää tällaista huokoisuutta ja kimmoisuutta melun vähentämiseksi, ja miten määrittää, että vähentynyt din.
näitä laskelmia tukevat tuulitunnelikokeet: erilaiset huokoiset materiaalit vaimentavat kohinaa. Thomas Geyerin Brandenburgin teknillisessä yliopistossa Saksassa tekemässä tutkimuksessa on havaittu, että pöllön kokoinen poroelastinen siipi voi olla noin 2-5 desibeliä hiljaisempi kuin tavallinen siipi.
Geyerin mukaan oikea huokoinen materiaali on kuitenkin ratkaisevassa asemassa; tuulitunnelikokeissa jotkin materiaalit itse asiassa lisäsivät korkeataajuista melua. Lennossa olevien pöllöjen mittaukset osoittavat, että niiden siivet mykistävät vain Yli 1 600 hertsin taajuudet (pianolla kaksi ja puoli oktaavia keski-C: n yläpuolella). Koska suurin piirtein tästä alkaa jyrsijöiden kuuloalue, pöllö hyötyisi eniten niiden tukahduttamisesta saalistaessaan ateriaa.
Jaworski ja Ian Clark (ei sukua Christopherille) Nasan Langley Research Centeristä ovat yrittäneet matkia pöllön samettia peittämällä tavallisen lentohaperon erilaisilla kankailla. ”Voittotekstiilinä oli häähuntu”, Jaworski kertoo. Vihkiäisvarusteita ei kuitenkaan välttämättä tarvitse lahjoittaa tieteelle, sillä tutkijat saivat vielä parempia tuloksia kiinnittämällä tuulivoimalan lapoihin pieniä muovisia 3D-tulostettuja ”suomuja”.
tutkimusten mukaan pöllön siivissä on kolme ominaisuutta, jotka edistävät niiden hiljaista lentoa: ”kampamainen” rakenne (näkyy vain Siiven yläreunassa oikealla), repaleiset takareunat (näkyy Siiven alapinnalla) ja samettimainen materiaali, joka peittää suuren osan Siiven vasemmasta ylälaidasta. Eri näytteen kamparakenne näkyy läheltä alhaalta.
Luoto: THOMAS GEYER
”tietyllä taajuusalueella näimme 10 desibelin melunvaimennuksen, Jaworski kertoo. ”Se ei ehkä kuulosta paljolta, mutta ilman akustiikassa insinöörit taistelevat kahdesta tai kolmesta desibelistä. Kymmenen desibeliä on puolet äänekkäämpi. Se on valtava muutos mille tahansa teknologialle.”Tuuliturbiineja valmistava Siemens on ilmeisesti kuunnellut, ja julkisti hiljattain toisen sukupolven ”Dino Tail”-turbiininsa, joiden kammat ovat suoraan pöllön Siiven inspiroimia.
höyhenpeitteinen enigma
vaikka pöllön Siivet tarjoavat uusia oivalluksia melun vähentämisestä ilmailutekniikan kannalta, insinöörien menestys pöllön lennon fysiikan kuvaamisessa on ollut heikompaa. Ornitologi Clarkin mukaan insinöörit eivät välttämättä ole edes tunnistaneet pöllöilmailun tärkeintä melulähdettä.
jos yrität rakentaa pöllöä tuulivoimalan tai lentokoneen sijaan, huomaat useita eroja. Pöllöillä on höyheniä, lentokoneilla ei. pöllöt räpyttävät siipiään, lentokoneilla ei. on hyvä syy, että ilmailuinsinöörit suosivat paikallaan olevia, kiinteitä siipiä räpyttelevien, höyhenisten siipien sijaan: niitä on helpompi ymmärtää.
mutta jos on biologi, räpyttelyn sivuuttaminen on lintulennon keskeisen ainesosan sivuuttamista, Clark sanoo. Kun linnun siivet räpyttelevät, ne muuttavat muotoaan, ja kun ne muuttavat muotoaan, höyhenet hankautuvat toisiaan vasten aiheuttaen melua. Tämä melu on kitkaa, ei aerodynaamista, joka syntyy kiinteän aineen kosketuksesta kiinteää ainetta vastaan.
Clarkin mukaan pöllön sametin ja hapsujen tarkoitus on vähentää höyhenten välistä kitkaa räpyttelemällä. Clark myöntää, että hänen väitteensä olisi turha, jos pöllöt liitelisivät metsästäessään, mutta videotodisteet osoittavat, että ne eivät: ne räpyttelevät noustessaan ilmaan, ne räpyttelevät laskeutuessaan ja ne jopa räpyttelevät, kun ”juoksevat” saaliin perässä.
tutkijat, jotka yrittävät ymmärtää, miksi pöllön lento eroaa muista linnuista, ovat tutkineet niiden vanavedessä jättämiä turbulenssikuvioita. Täällä pyörremyrskyt pyörivät tietokoneanimoidun suuren sarvipöllön takana, jonka Roi Gurka ja Elias Balaras loivat tuulitunnelikokeista kerätyn datan avulla. Punainen ja sininen osoittavat vastakkaisiin suuntiin pyöriviä pyörteitä. Muihin lintuihin, kuten hietakiitäjiin ja euroopankottaraisiin, verrattuna pöllön pyörteet ovat pieniä ja epäjärjestelmällisiä, eivätkä jää kovin kauas pöllön taakse. Mekanismia, jolla pöllö tukahduttaa nämä pyörteet, ei vielä tunneta.
luotto: ROI GURKA
ja reunukset eivät ole vain Siiven takareunassa, jossa aerodynaaminen teoria ennustaisi niille suurimman melua vähentävän hyödyn. Reunuksia on myös sulkien etureunoilla, joissa ne eivät vaikuta aerodynaamiseen meluun, sekä joillakin höyhenillä, jotka eivät edes altistu ilmavirralle. Tämä viittaa siihen, että niiden käyttötarkoitus ei ole aerodynaaminen.
Clarkin mukaan kysymys saatetaan esittää takaperin. Sen sijaan, että kysyisimme, miksi pöllöt ovat niin hiljaisia, pitäisi kysyä, miksi muut linnut ovat niin äänekkäitä. Vastaus on höyhenet. ”Höyhenet ovat uskomattomia rakenteita, ja luultavasti syy lintujen menestymiseen”, Clark sanoo. Mutta niillä on evoluution Hinta: ”Jos aiot rakentaa Siiven höyhenistä, ne tuottavat kitkaääntä.”Tullakseen hiljaisiksi metsästäjiksi pöllöt kehittivät erityisiä mukautuksia, jotka vähentävät tätä haittaa.
pöllöt eivät ole ainoa lintulaji, joka on ratkaissut tämän ongelman. Jotkin australiansammakkolajit ovat itsenäisesti kehittäneet samat sopeutumat. Nämä linnut ovat myös lihansyöjiä, ja niiden siivet ovat pehmeät ja pörröiset kampojen ja repaleisten hapsujen kanssa. Grahamin aikana ihmiset olettivat sammakkojen olevan läheistä sukua pöllöille, mutta genomianalyysi on osoittanut, että ne eivät ole. Vaikka niitä on tutkittu vähemmän kuin pöllöjä, nekin ovat äänettömiä lehtisiä.
”evoluutio kulkee usein omituista polkua”, Clark sanoo. ”Yksi tapa, jolla voit perehtyä taustalla oleviin mekaanisiin periaatteisiin ja erottaa ne omituisuuksista, on konvergentti evoluutio.”Kun kahdella toisiinsa liittymättömällä eläimellä on sama sopeutuma, se viittaa siihen, että ominaisuudesta on hyötyä — tässä tapauksessa varkain.
tällä hetkellä on olemassa kaksi tapaa ymmärtää pöllön lentoa: insinöörinäkemys, joka perustuu nesteen liikkeen ja tuulitunnelikokeiden yhtälöihin, sekä biologinen näkemys, joka perustuu anatomiaan, käyttäytymiseen ja genomiikkaan. Aidosti yhtenäinen tarina vaatinee molempia. Insinööritkin ymmärtävät, että idealisoidut tutkimukset, jotka perustuvat jäykkiin, irrallisiin siipiin, eivät riitä. On täysin mahdollista, että pöllö käyttää höyheniään ja Siiven pieniä muotosäätöjä aktiivisesti eikä passiivisesti ilmavirran manipulointiin. Insinöörit eivät ole läheskään ymmärtäneet tätä prosessia, joka ulottuu useiden kokoisiin asteikkoihin höyhenten väkäsistä yksittäisiin höyheniin ja koko siipeen.
”meiltä puuttuu mikroskooppinen näkökulma”, sanoo Roi Gurka Coastal Carolinan yliopistosta Etelä-Carolinasta, jonka kokeet lentävillä pöllöillä ovat johtaneet kauniisiin tietokonesimulaatioihin floppaavan pöllön Siiven ympärillä olevasta virtauskentästä. ”Ymmärrän siipeä”, hän sanoo, mutta sen ymmärtäminen, mikä rooli yksittäisellä höyhenmorfologialla on melun vähentämisessä, on toinen asia.
tiedemiesten väitellessä tornipöllö jatkaa lentämistä kuten aina ennenkin: sen kasvot ovat pyöreät ja järkkymättömät kuin kuu, sen korvat harjaantuvat seuraavalla aterialla ja sen höyhenet polkevat hellästi ilmassa.