Hver ugle fancier har en historie om første gang de hørte en ugle — eller heller ikke hørte en. Det er uforglemmelig å se en enorm fugl, hvis vingespenn kan nå mer enn seks meter, glir gjennom luften uten å hviske.
Justin Jaworskis første nærkontakt kom på en flygende utstilling På Raptor Foundation nær Cambridge, England. «De trente uglene til å fly veldig nær publikum,» sier han. «Min første erfaring var å dukke for å unngå kollisjon. Jeg hørte bare en veldig liten swoosh etter at den passerte.»
Laboratoriemålinger har vist at den lille swooshen laget av en låveugle er under terskelen til menneskelig hørsel til uglen er omtrent tre meter unna — en prestasjon av stealth som biologer og ingeniører er langt fra helt forståelse. Men forskere fra begge disipliner arbeider for å løse gåten om silent flight-noen med sikte på å designe roligere fans, turbinblader og fly vinger.
en stor grå ugle (Strix nebulosa) finner en abbor på ingeniør Justin Jaworski.
KREDITT: JUSTIN JAWORSKI
slike ugle-inspirerte innovasjoner kan redusere støy med så mye som 10 desibel, som ligner forskjellen i støy mellom en passerende lastebil og en passerende bil, skriver Jaworski og Nigel Peake i en oversikt i 2020 Annual Review Of Fluid Mechanics.
Gå forsiktig
Jaworski, en ingeniør Ved Lehigh University I Pennsylvania, er neppe den første forskeren å bli betatt av puslespillet av silent owl flight. I 1934, Robert Regel Graham — En Britisk pilot og fugl kjenner — kalt oppmerksomhet til tre strukturer på ugle vinger som kan stå for ugler stillhet.
Mer enn 80 år senere er Hans» tre trekkparadigme», Som Christopher Clark kaller det, fortsatt sitert i mange artikler om uglevinger. «Han kjente klart fugler veldig bra, og han var en luftfartingeniør,» sier Clark, en ornitolog ved University Of California, Riverside. «Vitenskapen var annerledes på 1930-tallet. I vår alder av spesialisering får du ikke den kombinasjonen.»
Først påpekte Graham en uvanlig struktur kalt «kammen», som bokstavelig talt ser ut som en kam som rager fremover fra vingenes forkant. For det andre bemerket han at det meste av uglevingen er dekket med et mykt lag fløyelsfjær. Til slutt observerte han at fjærene på bakkanten av vingen danner en ragged frynse.
de fleste forskere er fortsatt enige om at kammen, fløyelen og frynsene kombinerer på en eller annen måte for å redusere støy, men uglen kan ha flere triks opp i ermet. «Nar alt er sagt og gjort, tror jeg vi vil ha en rekke mekanismer, inkludert Grahams,» sier Clark.
for å forklare hvordan en ugle undertrykker støy, vil det bidra til å identifisere hvor støyen kommer fra i utgangspunktet. For et fly som kommer inn for landing, kommer en stor del av støyen ikke fra motorene, men fra luftstrømmen rundt flyet, spesielt lyden som produseres ved vingenes bakkant. Den turbulente luften som rushing forbi de eksponerte kantene på vingene, oversetter til det kjedelige brølet du hører når flyet flyr overhead.
Forskere trente En Florida sperret ugle (Strix varia alleni) for å fly gjennom et spesielt opptaksrom. De glidende uglene genererte svært lite lyd i området for menneskelig hørsel (folk kan høre lyder over den stiplede linjen). Lavfrekvente lyder laget av owl flight er uhørbare, uansett avstand. Mennesker kan høre flystøy i mellomfrekvensene når uglen er mellom en og tre meter unna. Uglevinger og fjær er spesielt gode til å dempe høyere frekvenslyder, som kun kan høres hvis en person står innenfor en meter av støyen.
En måte å redusere denne støyen ville være å gjøre bakkanten av vingen mindre hard, mer porøs og mer fleksibel. Dette kan være funksjonen til uglefløyens ragged frynser. Jaworski Og Peake har matematisk beregnet hvordan ingeniører kan bruke slik porøsitet og elastisitet for å redusere støy, og hvordan man kvantifiserer den reduserte din.
disse beregningene støttes av vindtunneleksperimenter: En rekke porøse materialer ringer ned støyen. Arbeid Av Thomas Geyer Ved Brandenburg University Of Technology I Tyskland har funnet ut at en poroelastisk vinge på størrelse med en ugle kan være omtrent 2 til 5 desibel roligere enn en vanlig vinge.
Men, Sier Geyer, det riktige porøse materialet er avgjørende; i vindtunneltestene økte noen materialer faktisk høyfrekvent støy. Målinger av ugler i flukt viser at vingene deres bare demper frekvenser høyere enn 1600 hertz (på et piano, to og en halv oktaver over midten C). Siden dette er omtrent hvor rekkevidden av gnagerhørsel begynner, er det området som en ugle vil ha mest nytte av å undertrykke når den jakter på et måltid.
Jaworski og Ian Clark (ingen relasjon Til Christopher) AV NASAS Langley Research Center har forsøkt å etterligne ugle fløyel ved å dekke en standard airfoil med ulike typer stoff. «Den vinnende tekstil var et bryllup slør,» sier Jaworski. Det kan imidlertid ikke være nødvendig å donere ditt nuptial tilbehør til vitenskapen, fordi forskerne fikk enda bedre resultater ved å feste små plast 3-D-trykte «finlets» til bladene på en vindturbin.
Forskning tyder på at uglevinger har tre funksjoner som bidrar til deres stille flytur: en» kam » struktur (bare synlig på vingens øverste høyre), ragged bakkanter (synlig langs bunnen av vingen) og et fløyelsaktig materiale som dekker mye av øvre venstre på vingen. Kamstrukturen fra et annet eksemplar er vist nærbilde nederst.
KREDITT: THOMAS GEYER
«Over et visst frekvensområde så Vi en støyreduksjon på 10 desibel,» sier Jaworski. «Det høres kanskje ikke så mye ut, men i luftakustikk kjemper ingeniører over to eller tre desibel. Ti desibel er halvparten så støyende. Det er en enorm endring for enhver teknologi. Siemens, en produsent av vindturbiner, har tilsynelatende lyttet, og nylig avduket sin andre generasjon» Dino Tail » turbiner som har kammer direkte inspirert av uglevingen.
Feathery enigma
selv om uglevinger gir ny innsikt i støyreduksjon for luftfartsteknikk, har ingeniører hatt mindre suksess som beskriver fysikken til ugleflyging. Ifølge ornitologen Clark kan ingeniører ikke engang ha identifisert den viktigste kilden til støy i ugle luftfart.
hvis du prøver å bygge en ugle, i stedet for en vindturbin eller et fly, vil du legge merke til flere forskjeller. Det Er en god grunn til at luftfartsteknikere foretrekker stasjonære, solide vinger til flapping, fjærete: de er lettere å forstå.
Men hvis du er biolog, å ignorere flapping er å ignorere en grunnleggende ingrediens i aviær flytur, sier Clark. Som fugl vinger klaff de endrer form, og som de endrer form fjærene gni mot hverandre, forårsaker støy. Denne støyen er friksjonell, ikke aerodynamisk, produsert ved kontakt av fast stoff mot fast stoff.
I Clarks syn er formålet med ugleens fløyel og kantene å redusere friksjonsstøy mellom fjærene mens de flapper. Clark innrømmer at hans argument ville være moot hvis ugler gled mens jakt, men video bevis viser de ikke: de klaff når du tar av, de klaff når landing og de selv klaff når «løpe» for byttedyr.
Forskere som ønsker å forstå hvorfor ugleens fly er forskjellig fra andre fugler, har studert turbulensmønstrene som er igjen i kjølvannet. Her virvler virvlene bak en dataanimert storhornet ugle, skapt Av Roi Gurka og Elias Balaras ved hjelp av data samlet fra vindtunneleksperimenter. Rødt og blått indikerer virvler som spinner i motsatt retning. Sammenlignet med andre fugler som sandpipers og Europeiske starlings, er ugleens hvirvler små og uorganiserte, og sporer ikke veldig langt bak uglen. Mekanismen som uglen undertrykker disse hvirvlene er ennå ikke forstått.
KREDITT: ROI GURKA
og kantene er ikke bare på bakkanten av vingen, hvor den aerodynamiske teorien ville forutsi at de hadde størst støyreduserende fordel. Frynser finnes også på fjærens forkanter, hvor de ikke påvirker aerodynamisk støy, samt på noen fjær som ikke engang er utsatt for luftstrømmen. Dette antyder at deres formål ikke er aerodynamisk.
Clark sier at Vi kan stille spørsmålet bakover. I stedet for å spørre hvorfor ugler er så stille, bør vi spørre hvorfor andre fugler er så høyt. Svaret er fjær. «Fjær er fantastiske strukturer, og sannsynligvis grunnen til at fuglene er så vellykkede,» Sier Clark. Men de kommer med en evolusjonær kostnad: «Hvis du skal bygge en vinge ut av fjær, skal de produsere friksjonslyd.»For å bli stille jegere utviklet ugler spesielle tilpasninger som reduserer denne ulempen.
Ugler er ikke den eneste typen fugl som har løst dette problemet. Noen arter Av Australske frogmouths har selvstendig utviklet de samme tilpasningene. Disse fuglene er også kjøttetende og har vinger som er myke og myke med kammer og ragged frynser. På Grahams tid antok folk at frogmouths var nært knyttet til ugler, men genomisk analyse har vist at de ikke er det. Mens de er mindre studert enn ugler, er de også stille flygeblad.
«Evolusjonen tar ofte en quirky sti,» Sier Clark. «En måte du kan komme inn på de underliggende mekaniske prinsippene, og fortelle dem bortsett fra quirks, er med konvergent evolusjon.»Når to urelaterte dyr har samme tilpasning, antyder det at funksjonen gir en fordel – i dette tilfellet stealth.
For tiden er det to måter å forstå owl-fly: en ingeniørvisning informert av ligningene av væskebevegelse og vindtunneleksperimenter, og en biologisk visning basert på anatomi, oppførsel og genomikk. En virkelig integrert historie vil trolig kreve begge deler. Selv ingeniører innser at idealiserte studier basert på stive, ufeathered vinger ikke er nok. Det er ganske mulig at uglen bruker fjærene og små formjusteringer av vingen aktivt, i stedet for passivt, for å manipulere luftstrømmen. Ingeniører er ikke engang nær å forstå denne prosessen, som spenner over flere størrelsesskalaer, fra fjærens barbs til de enkelte fjærene, til hele vingen.
«Det som mangler for oss er det mikroskopiske synspunktet,» sier Roi Gurka Fra Coastal Carolina University I South Carolina, hvis eksperimenter med flygende ugler har ført til vakre datasimuleringer av strømningsfeltet rundt en flagrende uglevinge. «Jeg forstår vingen,» sier han, men å forstå rollen som individuell fjærmorfologi spiller i støyreduksjon er en annen sak.
mens forskerne diskuterer, vil låveuglen fortsette å fly som den alltid har: ansiktet er så rundt og ugjennomtrengelig som månen, ørene trent på sitt neste måltid og fjærene trår forsiktig i luften.