모든 올빼미 애호가는 올빼미를 처음 들었을 때의 이야기를 가지고 있습니다. 날개 길이가 6 피트 이상에 도달 할 수있는 거대한 새가 속삭임없이 공기를 통해 미끄러지는 것을 보는 것은 잊을 수없는 일입니다.
저스틴 자워스키의 첫 만남은 영국 캠브리지 근처 랩터 재단의 비행 전시회에서 열렸습니다. “그들은 올빼미가 청중에게 매우 가까이 날아갈 수 있도록 훈련 시켰습니다.”라고 그는 말합니다. “내 첫 경험은 충돌을 피하기 위해 더킹이었다. 나는 그것이 지나간 후에 아주 약간의 쉿 소리를 들었다.”
실험실 측정에 따르면 헛간 올빼미가 만든 약간의 습격은 올빼미가 약 3 피트 떨어져있을 때까지 인간의 청력의 문턱 아래에 있음을 보여주었습니다.이 기술은 생물 학자와 엔지니어가 완전히 이해하지 못하는 스텔스의 위업입니다. 그러나 두 분야의 연구자들은 조용한 팬,터빈 블레이드 및 비행기 날개를 설계 할 목적으로 조용한 비행의 수수께끼를 풀기 위해 노력하고 있습니다.
위대한 회색 올빼미(스트릭스 네우 로사)는 엔지니어 저스틴 자 워스키의 농어를 찾습니다.
신용:저스틴 자 워스키
이러한 올빼미에서 영감을 얻은 혁신은 지나가는 트럭과 지나가는 자동차 사이의 소음의 차이와 비슷한 10 데시벨만큼 소음을 줄일 수 있으며,자 워스키와 나이젤 피크는 2020 연례 유체 역학 검토에 개요를 작성합니다.
고 젠틀
펜실베이니아 리하이 대학의 엔지니어인 자워스키는 침묵의 올빼미 비행의 수수께끼에 매료된 최초의 과학자는 아니다. 1934 년,로버트 규칙 그레이엄—영국 조종사와 조류 감정가—올빼미’침묵을 설명 할 수 올빼미 날개에 세 가지 구조에 관심을 불렀다.
80 년 이상 후,크리스토퍼 클라크가 부르는 그의”세 가지 특성 패러다임”은 여전히 올빼미 날개에 관한 많은 논문에서 인용됩니다. “그는 분명히 새를 잘 알고 있었고 항공 엔지니어였습니다.”라고 리버 사이드 캘리포니아 대학의 조류 학자 클라크는 말합니다. “과학은 1930 년대에 달랐습니다.우리 전문화 시대에는 그 조합을 얻지 못합니다.”
첫째,그레이엄은 문자 그대로 날개의 앞 가장자리에서 앞으로 돌출 빗처럼 보이는”빗”이라는 특이한 구조를 지적했다. 둘째,그는 올빼미 날개의 대부분이 벨벳 깃털의 부드러운 층으로 덮여 있다고 지적했다. 마지막으로,그는 날개의 후행 가장자리에 깃털이 비정형 프린지를 형성하는 것을 관찰했다.
대부분의 연구자들은 빗,벨벳 및 프린지가 소음을 줄이기 위해 어떤 방식 으로든 결합된다는 데 여전히 동의하지만 올빼미는 소매에 더 많은 트릭을 가질 수 있습니다. “모든 말했다되고 완료되면,나는 우리가 그레이엄의 포함 메커니즘의 숫자를해야합니다 생각,”클라크는 말한다.
올빼미가 소음을 억제하는 방법을 설명하기 위해,그것은 소음이 처음에 어디에서 오는 식별하는 데 도움이 될 것이다. 착륙을 위해 들어오는 비행기의 경우,소음의 상당 부분은 엔진에서 오는 것이 아니라 비행기 주변의 공기 흐름,특히 날개의 후행 가장자리에서 발생하는 소리에서옵니다. 날개의 노출 된 가장자리를 지나서 돌진하는 난기류는 비행기가 머리 위로 날아갈 때 들리는 둔한 포효로 해석됩니다.
연구원들은 플로리다 금지 올빼미(스트릭스 바리아 알레니)를 훈련시켜 특별한 녹음실을 통과했습니다. 글라이딩 올빼미는 인간의 청각(사람들이 점선 위의 소리를들을 수 있습니다)의 범위에서 아주 작은 소리를 생성. 올빼미 비행에 의해 만들어진 저주파 소리는 거리에 상관없이 들리지 않습니다. 올빼미가 1~3 미터 거리에있을 때 인간은 중간 범위의 주파수에서 비행 소음을들을 수 있습니다. 올빼미의 날개와 깃털은 사람이 소음의 미터 내에 서있는 경우에만들을 수있는 고주파 소리를 완충 특히 좋다.
이 소음을 줄이는 한 가지 방법은 날개의 후행 가장자리를 덜 단단하고 다공성이며 유연하게 만드는 것입니다. 이것은 올빼미 날개의 비정형 변두리의 기능 일 수 있습니다. 자워스키와 피크는 수학적으로 엔지니어가 소음을 줄이기 위해 이러한 다공성과 탄성을 사용하는 방법을 계산하고,어떻게 감소 소음을 정량화 할 수 있습니다.
이러한 계산은 풍동 실험에 의해 지원됩니다:다공성 물질의 다양한 소음을 다이얼 않습니다. 독일 브란덴부르크 공과대학의 토마스 가이어의 연구는 올빼미의 크기인 다공질 날개가 일반 날개보다 2~5 데시벨 정도 더 조용하다는 것을 발견했다.
그러나,가이어는 말한다,오른쪽 다공성 물질은 매우 중요하다;풍동 시험에서,일부 재료는 실제로 고주파 소음을 증가했다. 비행 중 올빼미의 측정은 날개가 1,600 헤르츠보다 높은 주파수 만 음소거한다는 것을 보여줍니다(피아노,중간 옥타브 위 2.5 옥타브). 설치류 청문회의 범위가 시작되는 곳이 대략이기 때문에,그것은 식사를 위해 사냥으로 올빼미가 억제에서 가장 도움이 될 범위입니다.
나사 랭글리 연구 센터의 자워스키와 이안 클라크(크리스토퍼와 관계 없음)는 표준 에어포일을 다양한 종류의 직물로 덮음으로써 올빼미의 벨벳을 모방하려고 시도했다. “우승 한 직물은 웨딩 베일이었습니다.”라고 자 워스 스키는 말합니다. 그러나 연구원들은 풍력 터빈의 블레이드에 작은 플라스틱 3 차원 인쇄 된”핀렛”을 부착하여 더 나은 결과를 얻었 기 때문에 결혼식 액세서리를 과학에 기부 할 필요가 없을 수도 있습니다.
연구에 따르면 올빼미 날개에는 조용한 비행에 기여하는 세 가지 기능이 있습니다: “빗”구조(날개의 오른쪽 상단에서 볼 수 있음),거친 후행 가장자리(날개의 바닥을 따라 볼 수 있음)및 날개의 왼쪽 상단을 많이 덮는 벨벳 소재. 다른 견본에서 빗 구조는 바닥에 근접하여 보입니다.
신용:토마스 가이어
“특정 주파수 범위에서 우리는 10 데시벨 노이즈 감소를 보았습니다. “그건 많은 같은 소리하지 않을 수 있습니다,하지만 공기 음향,엔지니어는 두 개 또는 세 개의 데시벨 이상 싸움. 10 데시벨은 시끄러운 절반입니다. 그것은 모든 기술에 대한 엄청난 변화입니다.”지멘스,풍력 터빈의 제조 업체,분명히 듣고,최근 직접 올빼미 날개에서 영감을 빗이 자사의 2 세대”디노 꼬리”터빈을 공개했다.
깃털 수수께끼
올빼미 날개는 항공 공학에 대한 소음 감소에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 있지만 엔지니어는 올빼미 비행의 물리학을 설명하는 데 성공하지 못했습니다. 조류 학자 클라크에 따르면,엔지니어들은 심지어 올빼미 항공 소음의 가장 중요한 소스를 확인하지 않았을 수 있습니다.
풍력 터빈이나 비행기가 아닌 올빼미를 만들려고한다면 몇 가지 차이점을 알 수 있습니다. 올빼미는 깃털을 가지고 있습니다.비행기는 날개를 펄럭입니다.비행기는 날개를 펄럭입니다.항공 엔지니어가 깃털을 펄럭이는 것보다 고정식,단단한 날개를 선호하는 좋은 이유가 있습니다.그들은 이해하기 쉽습니다.
그러나 당신이 생물학자라면,펄럭을 무시하는 것은 조류 비행의 근본적인 성분을 무시하는 것이라고 클라크는 말한다. 새 날개 플랩으로 그들은 모양을 변경,그들은 모양을 변경할 때 깃털은 소음을 일으키는 원인이 서로에 대해 문질러. 이 소음은 고체에 대한 고체의 접촉에 의해 생성 된 공기 역학이 아닌 마찰입니다.
클라크의 관점에서 올빼미의 벨벳과 변두리의 목적은 펄럭이는 동안 깃털 사이의 마찰 소음을 줄이는 것입니다. 클라크는 올빼미가 사냥하는 동안 활공 경우 자신의 인수가 논쟁이 될 것이라고 인정,하지만 비디오 증거는하지 않습니다 보여줍니다 이륙 할 때 그들은 플랩,착륙 할 때 그들은 플랩 먹이”전기가”때 그들은 심지어 플랩.
올빼미의 비행이 다른 새들과 다른 이유를 이해하고자하는 과학자들은 그들의 여파로 남아있는 난기류 패턴을 연구했습니다. 여기에,소용돌이는 풍동 실험에서 수집 한 데이터를 사용하여 로이 구르 카와 엘리아스 발라 라스에 의해 생성 된 컴퓨터 애니메이션 큰 뿔 올빼미,뒤에 소용돌이. 빨간색과 파란색은 반대 방향으로 회전하는 소용돌이를 나타냅니다. 샌드 파이퍼 및 유럽 찌르레기와 같은 다른 새와 비교할 때 올빼미의 소용돌이는 작고 무질서하며 올빼미 뒤에 아주 멀리 가지 않습니다. 올빼미가 이러한 소용돌이를 억제하는 메커니즘은 아직 이해되지 않았습니다.
신용:로이 구르 카
그리고 변두리는 날개의 후단에만 있는 것이 아닙니다.공기역학적 이론이 가장 큰 소음 감소 효과를 가져올 것이라고 예측합니다. 변두리는 또한 공기 역학적 소음에 영향을 미치지 않는 깃털의 앞 가장자리에도 존재하며 공기 흐름에 노출되지 않는 일부 깃털에도 존재합니다. 이것은 그들의 목적이 공기 역학적이지 않다는 것을 암시합니다.
클라크는 우리가 그 질문을 뒤로 할 수 있다고 말한다. 올빼미가 왜 그렇게 조용한지를 묻는 대신,우리는 왜 다른 새들이 그렇게 큰 소리를 내는지 물어야합니다. 답은 깃털이다. “깃털은 놀라운 구조이며 아마도 새들이 그렇게 성공한 이유 일 것입니다.”라고 클라크는 말합니다. “만약 깃털로 날개를 만든다면,그들은 마찰음을 만들어 낼 것입니다.”침묵하는 사냥꾼이되기 위해 올빼미는 이러한 단점을 줄이는 특별한 적응을 진화 시켰습니다.
올빼미는이 문제를 해결 한 유일한 종류의 새가 아닙니다. 호주 개구리의 일부 종은 독립적으로 동일한 적응을 개발했습니다. 이 새들은 또한 육식성이며 빗과 울퉁불퉁 한 변두리로 부드럽고 푹신한 날개를 가지고 있습니다. 그레이엄 시대에 사람들은 개구리가 올빼미와 밀접한 관련이 있다고 가정했지만 게놈 분석은 그렇지 않다는 것을 증명했습니다. 올빼미보다 덜 공부하지만,그들도 침묵 전단지입니다.
“진화는 종종 기발한 길을 택한다”고 클라크는 말한다. “당신이 기본 기계적 원리에 집에 할 수있는 한 가지 방법,그리고 단점에서 떨어져 그들에게,수렴 진화입니다.”두 개의 관련이없는 동물이 동일한 적응을 할 때,이 기능이 이점을 제공한다는 것을 암시합니다.이 경우 스텔스.
현재 올빼미 비행을 이해하는 두 가지 방법이 있습니다:유체 운동 및 풍동 실험의 방정식에 의해 통보 된 공학적보기와 해부학,행동 및 유전체학을 기반으로 한 생물학적 견해. 진정으로 통합 된 이야기는 아마도 둘 다 필요할 것입니다. 심지어 엔지니어들은 단단하고 평평하지 않은 날개를 기반으로 한 이상화 된 연구만으로는 충분하지 않다는 것을 알고 있습니다. 그것은 올빼미가 공기 흐름을 조작하는 것이 아니라 수동적으로,적극적으로 깃털과 날개의 작은 모양 조정을 사용하는 것이 매우 가능하다. 엔지니어들은 깃털의 미늘에서 개별 깃털,날개 전체에 이르기까지 여러 크기의 비늘에 걸쳐있는이 과정을 이해하는 데 가깝지 않습니다.
사우스캐롤라이나 해안캐롤라이나 대학의 로이 구르카는”우리에게 빠진 것은 미세한 관점이다”라고 말한다. “나는 날개를 이해합니다.”라고 그는 말합니다.하지만 소음 감소에서 개별 깃털 형태가 수행하는 역할을 이해하는 것은 또 다른 문제입니다.
과학자들이 논쟁하는 동안,헛간 올빼미는 항상 가지고있는 것처럼 계속 날아갈 것입니다:달처럼 둥글고 침착 한 얼굴,다음 식사에 훈련 된 귀,깃털이 부드럽게 공중에 밟힌다.