Ogni appassionato di gufo ha una storia della prima volta che ha sentito un gufo — o, piuttosto, non ha sentito uno. È indimenticabile vedere un enorme uccello, la cui apertura alare può raggiungere più di sei piedi, scivolando nell’aria senza nemmeno un sussurro.
Il primo incontro ravvicinato di Justin Jaworski è avvenuto in una mostra volante presso la Raptor Foundation vicino a Cambridge, in Inghilterra. “Hanno addestrato i gufi a volare molto vicino al pubblico”, dice. “La mia prima esperienza è stata di ducking per evitare una collisione. Ho sentito solo un leggero swoosh dopo che è passato.”
Le misurazioni di laboratorio hanno dimostrato che il leggero swoosh fatto da un barbagianni è al di sotto della soglia dell’udito umano fino a quando il gufo è a circa tre metri di distanza — una prodezza di furtività che biologi e ingegneri sono lontani dal comprendere completamente. Ma i ricercatori di entrambe le discipline stanno lavorando per risolvere l’enigma del volo silenzioso — alcuni con l’obiettivo di progettare ventilatori più silenziosi, pale delle turbine e ali degli aerei.
Un grande gufo grigio (Strix nebulosa) trova un pesce persico sull’ingegnere Justin Jaworski.
CREDITO: JUSTIN JAWORSKI
Tali innovazioni ispirate ai gufi possono ridurre il rumore di ben 10 decibel, simile alla differenza di rumore tra un camion che passa e un’auto che passa, Jaworski e Nigel Peake scrivono in una panoramica nell’Annual Review of Fluid Mechanics 2020.
Go gentle
Jaworski, ingegnere presso la Lehigh University in Pennsylvania, non è certo il primo scienziato ad essere affascinato dal puzzle di silent owl flight. Nel 1934, Robert Rule Graham — un pilota britannico e conoscitore di uccelli-richiamò l’attenzione su tre strutture sulle ali del gufo che potrebbero spiegare il silenzio dei gufi.
Più di 80 anni dopo, il suo “paradigma dei tre tratti”, come lo chiama Christopher Clark, è ancora citato in molti documenti sulle ali di gufo. “Conosceva chiaramente gli uccelli molto bene, ed era un ingegnere aeronautico”, dice Clark, un ornitologo presso l’Università della California, Riverside. “La scienza era diversa nel 1930. Nella nostra epoca di specializzazione, non si ottiene quella combinazione.”
In primo luogo, Graham ha sottolineato una struttura insolita chiamata” pettine”, che sembra letteralmente un pettine sporgente in avanti dal bordo d’attacco dell’ala. In secondo luogo, ha notato che la maggior parte dell’ala del gufo è ricoperta da un morbido strato di piume vellutate. Infine, osservò che le piume sul bordo posteriore dell’ala formano una frangia irregolare.
La maggior parte dei ricercatori concorda ancora sul fatto che il pettine, il velluto e la frangia si combinano in qualche modo per ridurre il rumore, ma il gufo potrebbe avere più trucchi nella manica. “Quando tutto è detto e fatto, penso che avremo una serie di meccanismi, incluso quello di Graham”, afferma Clark.
Per spiegare come un gufo sopprime il rumore, aiuterebbe a identificare da dove proviene il rumore in primo luogo. Per un aereo in arrivo per un atterraggio, gran parte del rumore non proviene dai motori, ma dal flusso d’aria intorno all’aereo, in particolare il suono prodotto sul bordo di uscita delle ali. L’aria turbolenta che scorre oltre i bordi esposti delle ali si traduce nel ruggito sordo che si sente mentre l’aereo vola sopra la testa.
I ricercatori hanno addestrato un gufo barrato della Florida (Strix varia alleni) a volare attraverso una sala di registrazione speciale. I gufi plananti hanno generato pochissimo suono nella gamma dell’udito umano (le persone possono sentire suoni sopra la linea tratteggiata). I suoni a bassa frequenza fatti da owl flight sono impercettibili, indipendentemente dalla distanza. Gli esseri umani possono sentire il rumore di volo nelle frequenze di fascia media quando il gufo è tra uno e tre metri di distanza. Le ali e le piume del gufo sono particolarmente bravi a smorzare i suoni a frequenza più alta, che possono essere ascoltati solo se una persona si trova a un metro dal rumore.
Un modo per ridurre questo rumore sarebbe quello di rendere il bordo di uscita dell’ala meno duro, più poroso e più flessibile. Questa potrebbe essere la funzione delle frange frastagliate dell’ala del gufo. Jaworski e Peake hanno calcolato matematicamente come gli ingegneri potrebbero utilizzare tale porosità ed elasticità per ridurre il rumore e come quantificare quel din diminuito.
Questi calcoli sono supportati da esperimenti in galleria del vento: una varietà di materiali porosi fanno comporre il rumore. Il lavoro di Thomas Geyer alla Brandenburg University of Technology in Germania ha scoperto che un’ala poroelastica delle dimensioni di un gufo può essere di circa 2-5 decibel più silenziosa di un’ala normale.
Tuttavia, dice Geyer, il giusto materiale poroso è cruciale; nei test della galleria del vento, alcuni materiali hanno effettivamente aumentato il rumore ad alta frequenza. Le misurazioni dei gufi in volo mostrano che le loro ali silenziano solo frequenze superiori a 1.600 hertz (su un pianoforte, due ottave e mezzo sopra il do medio). Poiché questo è più o meno dove inizia la gamma dell’udito dei roditori, è la gamma che un gufo trarrebbe maggior beneficio dalla soppressione mentre caccia per un pasto.
Jaworski e Ian Clark (nessuna relazione con Christopher) del Langley Research Center della NASA hanno tentato di imitare il velluto del gufo coprendo un profilo alare standard con vari tipi di tessuto. “Il tessuto vincente era un velo da sposa”, dice Jaworski. Tuttavia, potrebbe non essere necessario donare i tuoi accessori nuziali alla scienza, perché i ricercatori hanno ottenuto risultati ancora migliori attaccando minuscole “finlet” stampate in plastica 3-D alle pale di una turbina eolica.
La ricerca suggerisce che le ali del gufo hanno tre caratteristiche che contribuiscono al loro volo silenzioso: una struttura a “pettine” (appena visibile in alto a destra dell’ala), bordi frastagliati (visibili lungo la parte inferiore dell’ala) e un materiale vellutato che copre gran parte della parte superiore sinistra dell’ala. La struttura del pettine da un campione diverso è mostrata in primo piano in basso.
CREDITO: THOMAS GEYER
“Su un certo intervallo di frequenza, abbiamo visto una riduzione del rumore di 10 decibel”, afferma Jaworski. “Potrebbe non sembrare molto, ma nell’acustica dell’aria, gli ingegneri combattono per due o tre decibel. Dieci decibel sono la metà rumorosi. Questo è un enorme cambiamento per qualsiasi tecnologia.”Siemens, un produttore di turbine eoliche, ha apparentemente ascoltato e recentemente ha presentato le sue turbine “Dino Tail” di seconda generazione che hanno pettini direttamente ispirati all’ala del gufo.
Enigma piumoso
Sebbene le ali di gufo stiano fornendo nuove intuizioni sulla riduzione del rumore per l’ingegneria aeronautica, gli ingegneri hanno avuto meno successo nel descrivere la fisica del volo owl. Secondo l’ornitologo Clark, gli ingegneri potrebbero anche non aver identificato la fonte più importante di rumore nell’aviazione owl.
Se stai cercando di costruire un gufo, piuttosto che una turbina eolica o un aereo, noterai diverse differenze. I gufi hanno le piume; gli aerei no. I gufi sbattono le ali; gli aerei no. C’è una buona ragione per cui gli ingegneri aeronautici preferiscono le ali fisse e solide a quelle che sbattono, piumate: sono più facili da capire.
Ma se sei un biologo, ignorare sbattere è ignorare un ingrediente fondamentale nel volo aviario, dice Clark. Come ali di uccello lembo cambiano forma, e come cambiano forma le piume strofinare contro l’altro, causando rumore. Questo rumore è di attrito, non aerodinamico, prodotto dal contatto di solido contro solido.
Secondo Clark, lo scopo del velluto del gufo e delle frange è quello di ridurre il rumore di attrito tra le piume durante lo sbattimento. Clark ammette che la sua argomentazione sarebbe discutibile se i gufi scivolassero durante la caccia, ma le prove video mostrano che non lo fanno: sbattono quando decollano, sbattono quando atterrano e persino sbattono quando “scorrono” per la preda.
Gli scienziati che cercano di capire perché il volo del gufo differisce dagli altri uccelli hanno studiato i modelli di turbolenza lasciati nella loro scia. Qui, vortici turbinano dietro un grande gufo cornuto animato al computer, creato da Roi Gurka e Elias Balaras utilizzando i dati raccolti dagli esperimenti in galleria del vento. Rosso e blu indicano vortici che girano in direzioni opposte. Rispetto ad altri uccelli come i piro-piro e gli storni europei, i vortici del gufo sono piccoli e disorganizzati e non seguono molto il gufo. Il meccanismo con cui il gufo sopprime questi vortici non è ancora compreso.
CREDITO: ROI GURKA
E le frange non sono solo sul bordo posteriore dell’ala, dove la teoria aerodinamica avrebbe predire loro di avere il più grande beneficio di riduzione del rumore. Le frange esistono anche sui bordi anteriori delle piume, dove non influenzano il rumore aerodinamico, così come su alcune piume che non sono nemmeno esposte al flusso d’aria. Questo suggerisce che il loro scopo non è aerodinamico.
Clark dice che potremmo porre la domanda all’indietro. Invece di chiedere perché i gufi sono così silenziosi, dovremmo chiedere perché gli altri uccelli sono così rumorosi. La risposta è piume. “Le piume sono strutture sorprendenti e probabilmente la ragione per cui gli uccelli hanno tanto successo”, dice Clark. Ma hanno un costo evolutivo :” Se avete intenzione di costruire un’ala di piume, produrranno un suono di attrito.”Per diventare cacciatori silenziosi, i gufi hanno evoluto adattamenti speciali che riducono questo svantaggio.
I gufi non sono l’unico tipo di uccello che ha risolto questo problema. Alcune specie di frogmouths australiani hanno sviluppato indipendentemente gli stessi adattamenti. Questi uccelli sono anche carnivori e hanno ali morbide e soffici con pettini e frange frastagliate. Ai tempi di Graham, la gente presumeva che i frogmouths fossero strettamente correlati ai gufi, ma l’analisi genomica ha dimostrato che non lo sono. Anche se meno studiati dei gufi, anche loro sono volantini silenziosi.
“L’evoluzione spesso prende un percorso eccentrico”, dice Clark. “Un modo in cui puoi entrare a casa sui principi meccanici sottostanti e distinguerli dalle stranezze, è con l’evoluzione convergente.”Quando due animali non correlati hanno lo stesso adattamento, suggerisce che la caratteristica conferisce un vantaggio — in questo caso, stealth.
Allo stato attuale, ci sono due modi per comprendere il volo owl: una vista ingegneristica basata sulle equazioni del moto fluido e sugli esperimenti in galleria del vento e una vista biologica basata su anatomia, comportamento e genomica. Una storia veramente integrata probabilmente richiederà entrambi. Anche gli ingegneri si rendono conto che gli studi idealizzati basati su ali rigide e insondabili non sono sufficienti. È del tutto possibile che il gufo usi le sue piume e le piccole regolazioni della forma dell’ala attivamente, piuttosto che passivamente, per manipolare il flusso d’aria. Gli ingegneri non sono nemmeno vicini a capire questo processo, che si estende su diverse scale di dimensioni, dalle barbe delle piume alle singole piume, all’intera ala.
“Ciò che ci manca è il punto di vista microscopico”, afferma Roi Gurka della Coastal Carolina University in South Carolina, i cui esperimenti con i gufi volanti hanno portato a bellissime simulazioni al computer del campo di flusso attorno a un’ala di gufo che si agita. “Capisco l’ala”, dice, ma capire il ruolo che la morfologia della piuma gioca nella riduzione del rumore è un’altra questione.
Mentre gli scienziati discutono, il barbagianni continuerà a volare come ha sempre fatto: la sua faccia rotonda e imperturbabile come la luna, le sue orecchie addestrate al suo prossimo pasto e le sue piume che calpestano dolcemente l’aria.