minden bagolykedvelőnek van egy története arról, amikor először hallott egy baglyot — vagy inkább nem hallott egyet. Felejthetetlen látni egy hatalmas madarat, amelynek szárnyfesztávolsága meghaladja a hat métert, suttogás nélkül csúszik a levegőben.
Justin Jaworski első közeli találkozása egy repülő kiállításon történt a Raptor Alapítvány közelében Cambridge, Anglia. “Kiképezték a baglyokat, hogy nagyon közel repüljenek a közönséghez” – mondja. “Az első tapasztalatom az volt, hogy lebuktam, hogy elkerüljem az ütközést. Csak egy nagyon enyhe swoosh-t hallottam, miután elmúlt.”
laboratóriumi mérések azt mutatták, hogy a pajta bagoly által készített enyhe swoosh az emberi hallásküszöb alatt van, amíg a bagoly körülbelül három méterre van — ez a lopakodás, amelyet a biológusok és a mérnökök messze nem értenek teljesen. De mindkét tudományág kutatói azon dolgoznak, hogy megoldják a csendes repülés rejtélyét — némelyik célja a csendesebb ventilátorok, turbinalapátok és repülőgépszárnyak tervezése.
egy nagy szürke bagoly (Strix nebulosa) sügért talál Justin Jaworski mérnöknél.
hitel: JUSTIN JAWORSKI
az ilyen bagoly által inspirált újítások akár 10 decibellel is csökkenthetik a zajt, hasonlóan az elhaladó teherautó és az elhaladó autó közötti zajkülönbséghez-írja Jaworski és Nigel Peake a Fluid Mechanics 2020-as éves felülvizsgálatában.
Go gentle
Jaworski, a Pennsylvaniai Lehigh Egyetem mérnöke aligha az első tudós, akit elbűvölt a csendes bagoly repülés rejtvénye. 1934-ben Robert Rule Graham-egy brit pilóta és madárszakértő – felhívta a figyelmet a bagolyszárnyak három szerkezetére, amelyek magyarázhatják a baglyok csendjét.
több mint 80 évvel később, a “három tulajdonság paradigma”, ahogy Christopher Clark nevezi, még mindig idézett sok papírokat bagoly szárnyak. “Egyértelműen nagyon jól ismerte a madarakat, és repüléstechnikai mérnök volt” – mondja Clark, a Riverside-i Kaliforniai Egyetem ornitológusa. “A tudomány más volt az 1930-as években. a specializáció korában nem kapod meg ezt a kombinációt.”
először Graham rámutatott egy szokatlan szerkezetre, az úgynevezett “fésűre”, amely szó szerint úgy néz ki, mint egy fésű, amely előre kinyúlik a szárny elülső éléről. Másodszor megjegyezte, hogy a bagolyszárny nagy részét puha, bársonyos tollréteg borítja. Végül megfigyelte, hogy a szárny hátsó szélén lévő tollak rongyos peremet alkotnak.
a legtöbb kutató még mindig egyetért abban, hogy a fésű, a bársony és a fringe valamilyen módon kombinálódik a zaj csökkentése érdekében, de a bagolynak több trükkje lehet a hüvelyében. “Ha mindent elmondtunk és végeztünk, azt hiszem, számos mechanizmusunk lesz, beleértve Grahamét is” – mondja Clark.
annak magyarázata, hogy egy bagoly elnyomja a zajt, segítene azonosítani, honnan származik a zaj. A leszállásra érkező repülőgép esetében a zaj nagy része nem a motorokból származik, hanem a repülőgép körüli levegőáramlásból, különösen a szárnyak hátsó szélén keletkező hangból. A szárnyak kitett szélein túl rohanó turbulens levegő azt az unalmas ordítást jelenti, amelyet hall, amikor a repülőgép a feje fölött repül.
a kutatók kiképeztek egy floridai rácsos baglyot (Strix varia alleni), hogy repüljön át egy speciális felvételi helyiségben. A sikló baglyok nagyon kevés hangot generáltak az emberi hallás tartományában (az emberek hallhatják a szaggatott vonal feletti hangokat). Az owl flight által készített alacsony frekvenciájú hangok nem hallhatók, függetlenül a távolságtól. Az emberek hallják a repülési zajt a középkategóriás frekvenciákon,amikor a bagoly egy-három méterre van. A bagolyszárnyak és tollak különösen jól csillapítják a magasabb frekvenciájú hangokat, amelyek csak akkor hallhatók, ha egy személy a zajtól egy méteren belül áll.
a zaj csökkentésének egyik módja az lenne, ha a szárny hátsó éle kevésbé kemény, porózusabb és rugalmasabb lenne. Ez lehet a bagoly szárny rongyos rojtjainak funkciója. Jaworski és Peake matematikailag kiszámolták, hogy a mérnökök hogyan használhatják ezt a porozitást és rugalmasságot a zaj csökkentésére, és hogyan lehet számszerűsíteni ezt a csökkent din-t.
ezeket a számításokat szélcsatornás kísérletek támasztják alá: különféle porózus anyagok csökkentik a zajt. Thomas Geyer, a németországi Brandenburgi Műszaki Egyetem munkatársa azt találta, hogy egy bagoly méretű poroelasztikus szárny körülbelül 2-5 decibellel csendesebb lehet, mint egy normál szárny.
Geyer szerint azonban a megfelelő porózus anyag döntő fontosságú; a szélcsatorna-tesztek során egyes anyagok valóban növelték a nagyfrekvenciás zajt. A baglyok repülés közbeni mérései azt mutatják, hogy szárnyaik csak az 1600 Hz-nél magasabb frekvenciákat némítják el (zongorán, két és fél oktávval a középső C felett). Mivel nagyjából itt kezdődik a rágcsálók hallásának tartománya, ez az a tartomány, amelyet a bagoly leginkább elnyomna, amikor étkezésre vadászik.
Jaworski és Ian Clark (Nem állnak kapcsolatban Christopherrel) a NASA Langley Kutatóközpontjának munkatársai megpróbálták utánozni a bagoly bársonyát úgy, hogy egy szabványos szárnyszárnyat különféle szövetekkel borítottak be. “A nyertes textil esküvői fátyol volt” – mondja Jaworski. Előfordulhat azonban, hogy nem szükséges a házassági tartozékokat a tudománynak adományozni, mert a kutatók még jobb eredményeket értek el azáltal, hogy apró műanyag 3-D–nyomtatott “finleteket” rögzítettek a szélturbina pengéihez.
a kutatások azt sugallják, hogy a bagoly szárnyainak három olyan tulajdonsága van, amelyek hozzájárulnak csendes repülésükhöz: “fésű” szerkezet (csak a szárny jobb felső részén látható), rongyos hátsó élek (a szárny alján láthatók) és bársonyos anyag, amely a szárny bal felső részének nagy részét lefedi. A fésűszerkezet egy másik mintából alulról közelről látható.
hitel: THOMAS GEYER
“egy bizonyos frekvenciatartományban 10 decibel zajcsökkentést láttunk” – mondja Jaworski. “Lehet, hogy ez nem hangzik soknak, de a levegő akusztikájában a mérnökök két vagy három decibel felett harcolnak. Tíz decibel fele olyan zajos. Ez hatalmas változás minden technológia számára.”A siemens, a szélturbinák gyártója nyilvánvalóan hallgatott, és nemrégiben bemutatta második generációs “Dino Tail” turbináit, amelyek fésűit közvetlenül az owl wing ihlette.
tollas enigma
bár a bagolyszárnyak új betekintést nyújtanak a repüléstechnika zajcsökkentésébe, a mérnökök kevésbé voltak sikeresek a bagoly repülés fizikájának leírásában. Clark ornitológus szerint a mérnökök talán nem is azonosították a bagoly repülés legfontosabb zajforrását.
ha baglyot próbál építeni, nem pedig szélturbinát vagy repülőgépet, akkor számos különbséget észlel. A baglyoknak tolluk van; a repülőgépeknek nincs. a Baglyok csapkodják a szárnyukat; a repülőgépeknek nincs. jó oka van annak, hogy a repüléstechnikai mérnökök inkább az álló, szilárd szárnyakat részesítik előnyben a csapkodó, tollas szárnyakkal szemben: könnyebb megérteni őket.
de ha biológus vagy, a csapkodás figyelmen kívül hagyása a madár repülés alapvető összetevőjének figyelmen kívül hagyása, mondja Clark. Ahogy a madárszárnyak lebeg, megváltoztatják az alakjukat, és ahogy a tollak egymáshoz dörzsölődnek, zajt okozva. Ez a zaj súrlódási, nem aerodinamikai, amelyet a szilárd anyag szilárd anyaggal való érintkezése okoz.
Clark szerint a bagoly bársonyának és a rojtoknak az a célja, hogy csökkentse a tollak közötti súrlódási zajt csapkodás közben. Clark elismeri, hogy érvelése vitatható lenne, ha a baglyok vadászat közben siklanának, de a videó bizonyítékok azt mutatják, hogy nem: felszálláskor csapkodnak, leszálláskor csapkodnak, sőt még akkor is csapkodnak, amikor zsákmányért “járnak”.
a tudósok, akik meg akarják érteni, miért különbözik a bagoly repülése a többi madártól, tanulmányozták a nyomukban maradt turbulencia mintákat. Itt örvények kavarognak egy számítógéppel animált nagyszarvú bagoly mögött, amelyet Roi Gurka és Elias Balaras készített a szélcsatorna kísérleteiből gyűjtött adatok felhasználásával. A piros és a kék azt jelzi, hogy az örvények ellentétes irányban forognak. Összehasonlítva más madarakkal, mint például a homokfutókkal és az Európai seregélyekkel, a bagoly örvényei kicsik és szervezetlenek, és nem nagyon követik a bagoly mögött. Az a mechanizmus, amellyel a bagoly elnyomja ezeket az örvényeket, még nem ismert.
hitel: ROI GURKA
a rojtok nem csak a szárny hátsó szélén vannak, ahol az aerodinamikai elmélet szerint a legnagyobb Zajcsökkentő előnyük lenne. Rojtok is léteznek a tollak vezető szélein, ahol nem befolyásolják az aerodinamikai zajt, valamint egyes tollakon, amelyek még a légáramlásnak sem vannak kitéve. Ez arra utal, hogy céljuk nem aerodinamikai.
Clark azt mondja, hogy lehet, hogy visszafelé tesszük fel a kérdést. Ahelyett, hogy azt kérdeznénk, miért olyan csendesek a baglyok, azt kellene kérdeznünk, hogy más madarak miért olyan hangosak. A válasz toll. “A tollak csodálatos szerkezetek, és valószínűleg ez az oka annak, hogy a madarak olyan sikeresek” – mondja Clark. De evolúciós költségekkel járnak: “ha szárnyat építesz tollakból, akkor súrlódási hangot fognak produkálni.”Ahhoz, hogy csendes vadászokká váljanak, a baglyok speciális adaptációkat fejlesztettek ki, amelyek csökkentik ezt a hátrányt.
a baglyok nem az egyetlen madárfaj, amely megoldotta ezt a problémát. Az Ausztrál béka egyes fajai önállóan fejlesztették ki ugyanazokat az adaptációkat. Ezek a madarak húsevők is, szárnyuk puha és bolyhos, fésűvel és rongyos rojtokkal. Graham napjaiban az emberek azt feltételezték, hogy a békaszájok szorosan kapcsolódnak a baglyokhoz, de a genomikai elemzés bebizonyította, hogy nem azok. Bár kevésbé tanulmányozták, mint a baglyok, ők is csendes szórólapok.
“az evolúció gyakran furcsa utat követ” – mondja Clark. “Az egyik módja annak, hogy megismerjük a mögöttes mechanikai elveket, és megkülönböztessük őket a furcsaságoktól, a konvergens evolúció.”Ha két nem rokon állatnak ugyanaz az adaptációja, az azt sugallja, hogy ez a tulajdonság előnyt jelent — ebben az esetben a lopakodást.
jelenleg kétféle módon lehet megérteni a bagoly repülését: a folyadékmozgás és a szélcsatorna-kísérletek egyenletei által szolgáltatott mérnöki nézet, valamint az anatómián, viselkedésen és genomikán alapuló biológiai nézet. Egy valóban integrált történet valószínűleg mindkettőt igényli. Még a mérnökök is rájönnek, hogy a merev, tollatlan szárnyakon alapuló idealizált tanulmányok nem elegendőek. Nagyon is lehetséges, hogy a bagoly tollait és a szárny apró alakváltozásait aktívan, nem pedig passzívan használja a légáramlás manipulálására. A mérnökök még csak közel sem értik ezt a folyamatot, amely több méretskálát ölel fel, a tollak tüskéitől az egyes tollakig, az egész szárnyig.
“hiányzik számunkra a mikroszkopikus szempont” – mondja Roi Gurka, a dél-karolinai Coastal Carolina Egyetem, akinek a repülő baglyokkal végzett kísérletei gyönyörű számítógépes szimulációkhoz vezettek az áramlási mező körül egy csapkodó bagolyszárny körül. “Megértem a szárnyat” – mondja, de más kérdés megérteni, hogy az egyes tollmorfológia milyen szerepet játszik a zajcsökkentésben.
amíg a tudósok vitatkoznak, a pajta bagoly továbbra is repülni fog, mint mindig: arca kerek és zavartalan, mint a Hold, fülei a következő étkezésre edzettek, tollai pedig óvatosan taposnak a levegőben.