Chaque amateur de hiboux raconte la première fois qu’il a entendu un hibou — ou plutôt qu’il n’en a pas entendu un. C’est inoubliable de voir un énorme oiseau, dont l’envergure peut atteindre plus de six pieds, glisser dans les airs sans même chuchoter.
La première rencontre rapprochée de Justin Jaworski a eu lieu lors d’une exposition de vol à la Fondation Raptor près de Cambridge, en Angleterre. « Ils ont entraîné les hiboux à voler très près du public », dit-il. « Ma première expérience a été d’esquiver pour éviter une collision. Je n’ai entendu qu’un très léger swoosh après son passage. »
Des mesures en laboratoire ont montré que le léger swoosh effectué par une chouette effraie est en dessous du seuil de l’audition humaine jusqu’à ce que la chouette soit à environ trois pieds de distance — un exploit de furtivité que les biologistes et les ingénieurs sont loin de comprendre complètement. Mais des chercheurs des deux disciplines travaillent à résoudre l’énigme du vol silencieux — certains dans le but de concevoir des ventilateurs, des pales de turbine et des ailes d’avion plus silencieux.
Un grand hibou gris (Strix nebulosa) trouve une perche sur l’ingénieur Justin Jaworski.
CRÉDIT: JUSTIN JAWORSKI
De telles innovations inspirées des hiboux peuvent réduire le bruit jusqu’à 10 décibels, comme la différence de bruit entre un camion qui passe et une voiture qui passe, écrivent Jaworski et Nigel Peake dans un aperçu de la Revue annuelle 2020 de la mécanique des fluides.
Allez doucement
Jaworski, ingénieur à l’Université Lehigh en Pennsylvanie, n’est guère le premier scientifique à être captivé par le puzzle du vol silencieux de la chouette. En 1934, Robert Rule Graham — un pilote britannique et un connaisseur des oiseaux — a attiré l’attention sur trois structures sur les ailes des hiboux qui pourraient expliquer le silence des hiboux.
Plus de 80 ans plus tard, son « paradigme des trois traits », comme l’appelle Christopher Clark, est toujours cité dans de nombreux articles sur les ailes de hibou. « Il connaissait clairement très bien les oiseaux et il était ingénieur en aéronautique », explique Clark, ornithologue à l’Université de Californie à Riverside. « La science était différente dans les années 1930. À notre époque de spécialisation, vous n’obtenez pas cette combinaison. »
Tout d’abord, Graham a souligné une structure inhabituelle appelée » peigne « , qui ressemble littéralement à un peigne faisant saillie vers l’avant du bord d’attaque de l’aile. Deuxièmement, il a noté que la majeure partie de l’aile du hibou est recouverte d’une douce couche de plumes veloutées. Enfin, il a observé que les plumes sur le bord de fuite de l’aile forment une frange déchiquetée.
La plupart des chercheurs conviennent toujours que le peigne, le velours et la frange se combinent d’une manière ou d’une autre pour réduire le bruit, mais le hibou peut avoir plus de tours dans sa manche. « Quand tout sera dit et fait, je pense que nous aurons un certain nombre de mécanismes, y compris celui de Graham », explique Clark.
Pour expliquer comment un hibou supprime le bruit, il serait utile d’identifier d’où vient le bruit en premier lieu. Pour un avion arrivant pour un atterrissage, une grande partie du bruit provient non pas des moteurs mais du flux d’air autour de l’avion, en particulier du son produit au bord de fuite des ailes. L’air turbulent qui passe devant les bords exposés des ailes se traduit par le rugissement sourd que vous entendez lorsque l’avion vole au-dessus de vous.
Les chercheurs ont entraîné une chouette barrée de Floride (Strix varia alleni) à voler dans une salle d’enregistrement spéciale. Les chouettes planantes ont généré très peu de sons dans la gamme de l’ouïe humaine (les gens peuvent entendre des sons au-dessus de la ligne pointillée). Les sons de basse fréquence émis par owl flight sont inaudibles, quelle que soit la distance. Les humains peuvent entendre le bruit de vol dans les fréquences médianes lorsque le hibou se trouve entre un et trois mètres. Les ailes et les plumes de hibou sont particulièrement efficaces pour amortir les sons de plus haute fréquence, qui ne peuvent être entendus que si une personne se tient à moins d’un mètre du bruit.
Une façon de réduire ce bruit serait de rendre le bord de fuite de l’aile moins dur, plus poreux et plus flexible. Cela peut être la fonction des franges déchiquetées de l’aile du hibou. Jaworski et Peake ont calculé mathématiquement comment les ingénieurs pourraient utiliser une telle porosité et élasticité pour réduire le bruit, et comment quantifier cette diminution du din.
Ces calculs sont étayés par des expériences en soufflerie : une variété de matériaux poreux atténuent le bruit. Les travaux de Thomas Geyer à l’Université de technologie de Brandebourg en Allemagne ont révélé qu’une aile poroélastique de la taille d’un hibou peut être d’environ 2 à 5 décibels plus silencieuse qu’une aile ordinaire.
Cependant, dit Geyer, le bon matériau poreux est crucial; dans les essais en soufflerie, certains matériaux ont en fait augmenté le bruit à haute fréquence. Les mesures des hiboux en vol montrent que leurs ailes ne muent que les fréquences supérieures à 1 600 hertz (au piano, deux octaves et demie au-dessus du do moyen). Puisque c’est à peu près là que commence la portée de l’audition des rongeurs, c’est la portée qu’un hibou gagnerait le plus à supprimer lorsqu’il chasse pour un repas.
Jaworski et Ian Clark (aucun lien de parenté avec Christopher) du Centre de recherche Langley de la NASA ont tenté d’imiter le velours de la chouette en recouvrant un profil aérodynamique standard de différents types de tissu. « Le textile gagnant était un voile de mariage », explique Jaworski. Cependant, il n’est peut-être pas nécessaire de faire don de vos accessoires nuptiaux à la science, car les chercheurs ont obtenu de meilleurs résultats en attachant de minuscules « ailettes » en plastique imprimées en 3D aux pales d’une éolienne.
La recherche suggère que les ailes de hibou ont trois caractéristiques qui contribuent à leur vol silencieux: une structure en « peigne » (juste visible en haut à droite de l’aile), des bords de fuite déchiquetés (visibles le long du bas de l’aile) et un matériau velouté qui couvre une grande partie en haut à gauche de l’aile. La structure du peigne d’un spécimen différent est montrée en gros plan en bas.
CRÉDIT : THOMAS GEYER
» Sur une certaine gamme de fréquences, nous avons constaté une réduction du bruit de 10 décibels « , explique Jaworski. « Cela peut ne pas sembler beaucoup, mais en acoustique de l’air, les ingénieurs se battent pour deux ou trois décibels. Dix décibels, c’est moitié moins bruyant. C’est un changement énorme pour toute technologie. »Siemens, un fabricant d’éoliennes, a apparemment été à l’écoute et a récemment dévoilé ses turbines « Queue de Dino » de deuxième génération qui ont des peignes directement inspirés de l’aile de hibou.
Énigme plumeuse
Bien que les ailes de hibou fournissent de nouvelles informations sur la réduction du bruit pour l’ingénierie aéronautique, les ingénieurs ont eu moins de succès pour décrire la physique du vol de hibou. Selon l’ornithologue Clark, les ingénieurs n’ont peut-être même pas identifié la source de bruit la plus importante dans l’aviation owl.
Si vous essayez de construire un hibou, plutôt qu’une éolienne ou un avion, vous remarquerez plusieurs différences. Les hiboux ont des plumes; les avions n’en ont pas. Les hiboux battent des ailes; les avions n’en ont pas. Il y a une bonne raison pour laquelle les ingénieurs aéronautiques préfèrent les ailes fixes et solides aux ailes battantes et plumeuses: Elles sont plus faciles à comprendre.
Mais si vous êtes biologiste, ignorer le battement revient à ignorer un ingrédient fondamental du vol aviaire, explique Clark. Lorsque les ailes des oiseaux battent, elles changent de forme et lorsqu’elles changent de forme, les plumes se frottent les unes contre les autres, provoquant du bruit. Ce bruit est de friction, non aérodynamique, produit par le contact de solide contre solide.
Selon Clark, le velours et les franges du hibou ont pour but de réduire le bruit de frottement entre les plumes lors du battement. Clark concède que son argument serait sans objet si les hiboux glissaient pendant la chasse, mais les preuves vidéo montrent qu’ils ne le font pas: ils battent des ailes lors du décollage, ils battent des ailes lors de l’atterrissage et ils battent même des ailes lors de la « course » à la recherche de proies.
Des scientifiques cherchant à comprendre pourquoi le vol de la chouette diffère des autres oiseaux ont étudié les modèles de turbulence laissés dans leur sillage. Ici, des tourbillons tourbillonnent derrière un grand hibou à cornes animé par ordinateur, créé par Roi Gurka et Elias Balaras à l’aide de données recueillies lors d’expériences en soufflerie. Le rouge et le bleu indiquent des tourbillons tournant dans des directions opposées. Comparé à d’autres oiseaux tels que les bécasseaux et les étourneaux européens, les tourbillons de la chouette sont petits et désorganisés, et ne traînent pas très loin derrière la chouette. Le mécanisme par lequel le hibou supprime ces tourbillons n’est pas encore compris.
CRÉDIT : ROI GURKA
Et les franges ne sont pas seulement sur le bord de fuite de l’aile, où la théorie aérodynamique les prédiserait comme ayant le plus grand avantage de réduction du bruit. Des franges existent également sur les bords d’attaque des plumes, où elles n’affectent pas le bruit aérodynamique, ainsi que sur certaines plumes qui ne sont même pas exposées au flux d’air. Cela suggère que leur but n’est pas aérodynamique.
Clark dit que nous posons peut-être la question en arrière. Au lieu de demander pourquoi les hiboux sont si silencieux, nous devrions demander pourquoi les autres oiseaux sont si bruyants. La réponse est plumes. « Les plumes sont des structures étonnantes, et c’est probablement la raison pour laquelle les oiseaux ont autant de succès », explique Clark. Mais ils ont un coût évolutif: « Si vous allez construire une aile en plumes, ils vont produire un son de friction. »Pour devenir des chasseurs silencieux, les hiboux ont développé des adaptations spéciales qui réduisent cet inconvénient.
Les hiboux ne sont pas le seul type d’oiseau à avoir résolu ce problème. Certaines espèces de grenouilles australiennes ont développé indépendamment les mêmes adaptations. Ces oiseaux sont également carnivores et ont des ailes douces et moelleuses avec des peignes et des franges déchiquetées. À l’époque de Graham, les gens supposaient que les grenouilles étaient étroitement liées aux hiboux, mais l’analyse génomique a prouvé qu’elles ne le sont pas. Bien que moins étudiés que les hiboux, ils sont aussi des flyers silencieux.
« L’évolution emprunte souvent un chemin original », explique Clark. « Une façon de comprendre les principes mécaniques sous-jacents et de les distinguer des bizarreries, c’est avec une évolution convergente. »Lorsque deux animaux non apparentés ont la même adaptation, cela suggère que la caractéristique confère un avantage — dans ce cas, la furtivité.
À l’heure actuelle, il existe deux façons de comprendre le vol de la chouette: une vue d’ingénierie éclairée par les équations du mouvement des fluides et des expériences en soufflerie, et une vue biologique basée sur l’anatomie, le comportement et la génomique. Une histoire vraiment intégrée nécessitera probablement les deux. Même les ingénieurs se rendent compte que des études idéalisées basées sur des ailes rigides et inséparables ne suffisent pas. Il est fort possible que le hibou utilise ses plumes et ses petits ajustements de forme de l’aile activement, plutôt que passivement, pour manipuler le flux d’air. Les ingénieurs ne sont même pas près de comprendre ce processus, qui s’étend sur plusieurs échelles de taille, des barbes des plumes aux plumes individuelles, en passant par l’aile entière.
« Ce qui nous manque, c’est le point de vue microscopique », explique Roi Gurka de la Coastal Carolina University en Caroline du Sud, dont les expériences avec des hiboux volants ont conduit à de belles simulations informatiques du champ d’écoulement autour d’une aile de hibou battante. « Je comprends l’aile », dit-il, mais comprendre le rôle que joue la morphologie des plumes individuelles dans la réduction du bruit est une autre affaire.
Pendant que les scientifiques débattent, la chouette effraie continuera à voler comme elle l’a toujours fait : son visage aussi rond et imperturbable que la lune, ses oreilles dressées lors de son prochain repas et ses plumes qui piétinent doucement dans les airs.