elke uilliefhebber heeft een verhaal over de eerste keer dat ze een uil hoorden — of liever gezegd, dat ze er geen hoorden. Het is onvergetelijk om een enorme vogel te zien, met een spanwijdte van meer dan twee meter, die zonder fluistering door de lucht glipt.Justin Jaworski ‘ s eerste ontmoeting vond plaats op een vliegtentoonstelling in de Raptor Foundation bij Cambridge, Engeland. “Ze hebben de uilen getraind om heel dicht bij het publiek te vliegen”, zegt hij. “Mijn eerste ervaring was bukken om een botsing te voorkomen. Ik hoorde slechts een zeer lichte swoosh nadat het voorbij was.”
laboratoriummetingen hebben aangetoond dat de lichte swoosh van een Kerkuil onder de drempel van het menselijk gehoor ligt totdat de uil op ongeveer een meter afstand is — een staaltje heimelijkheid dat biologen en ingenieurs nog lang niet helemaal begrijpen. Maar onderzoekers uit beide disciplines werken aan het oplossen van het raadsel van stille vlucht — sommige met het doel van het ontwerpen van stillere ventilatoren, turbinebladen en vliegtuigvleugels.
een grote grijze uil (Strix nebulosa) vindt een baars op ingenieur Justin Jaworski.
krediet: JUSTIN JAWORSKI
dergelijke owl-geïnspireerde innovaties kunnen ruis verminderen met maar liefst 10 decibel, vergelijkbaar met het verschil in ruis tussen een passerende vrachtwagen en een passerende auto, Jaworski en Nigel Peake schrijven in een overzicht in de 2020 Annual Review of Fluid Mechanics.Jaworski, ingenieur aan de Lehigh University in Pennsylvania, is niet de eerste wetenschapper die gefascineerd is door de puzzel van de Stille uil-vlucht. In 1934 riep Robert Rule Graham — een Britse piloot en vogelkenner — de aandacht op drie structuren op uilenvleugels die de stilte van de uilen zouden kunnen verklaren.Meer dan 80 jaar later wordt zijn” three traits paradigm”, zoals Christopher Clark het noemt, nog steeds Geciteerd in vele artikelen over uilenvleugels. “Hij kende vogels duidelijk heel goed en hij was luchtvaartingenieur”, zegt Clark, een ornitholoog aan de Universiteit van Californië, Riverside. “Wetenschap was anders in de jaren 1930. In onze tijd van specialisatie, krijg je die combinatie niet.”
eerst wees Graham op een ongebruikelijke structuur, de “kam” genaamd, die er letterlijk uitziet als een kam die naar voren uitsteekt vanaf de voorrand van de vleugel. Ten tweede merkte hij op dat het grootste deel van de uilenvleugel is bedekt met een zachte laag fluweelzachte veren. Ten slotte merkte hij op dat de veren aan de achterrand van de vleugel een rafelige franje vormen.
de meeste onderzoekers zijn het er nog steeds over eens dat de kam, het fluweel en de franje op een bepaalde manier samenwerken om ruis te verminderen, maar de uil kan meer trucs achter de hand hebben. “Als alles gezegd en gedaan is, denk ik dat we een aantal mechanismen zullen hebben, waaronder die van Graham”, zegt Clark.
om uit te leggen hoe een uil lawaai onderdrukt, zou het helpen om te identificeren waar het lawaai in de eerste plaats vandaan komt. Voor een vliegtuig dat binnenkomt voor een landing, komt een groot deel van het geluid niet van de motoren, maar van de luchtstroom rond het vliegtuig, vooral het geluid dat wordt geproduceerd aan de achterrand van de vleugels. De turbulente lucht die langs de blootgestelde randen van de vleugels stroomt, vertaalt zich in het doffe gebrul dat je hoort terwijl het vliegtuig boven je vliegt.
onderzoekers trainden een velduil uit Florida (Strix varia alleni) om door een speciale opnameruimte te vliegen. De zweefuilen genereerden zeer weinig geluid in het bereik van het menselijk gehoor (mensen kunnen geluiden horen boven de stippellijn). Laagfrequente geluiden gemaakt door owl flight zijn onhoorbaar, ongeacht de afstand. Mensen kunnen vluchtgeluid horen in de mid-range frequenties wanneer de uil tussen een en drie meter afstand is. Uil vleugels en veren zijn vooral goed in het dempen van hogere frequentie geluiden, die alleen kunnen worden gehoord als een persoon staat binnen een meter van het geluid.
een manier om dit geluid te verminderen zou zijn om de achterrand van de vleugel minder hard, poreus en flexibeler te maken. Dit kan de functie zijn van de haveloze franjes van de uilvleugel. Jaworski en Peake hebben wiskundig berekend hoe ingenieurs dergelijke porositeit en elasticiteit zouden kunnen gebruiken om ruis te verminderen, en hoe die verminderde din te kwantificeren.
deze berekeningen worden ondersteund door windtunnelexperimenten: een verscheidenheid aan poreuze materialen dimt het geluid af. Uit onderzoek van Thomas Geyer aan de Technische Universiteit van Brandenburg in Duitsland is gebleken dat een poroelastische vleugel ter grootte van een uil ongeveer 2 tot 5 decibel stiller kan zijn dan een gewone vleugel.
echter, zegt Geyer, het juiste poreuze materiaal is cruciaal; in de windtunnel tests, sommige materialen daadwerkelijk verhoogd hoogfrequent lawaai. Metingen van uilen tijdens de vlucht laten zien dat hun vleugels alleen frequenties van meer dan 1600 hertz dempen (op een piano, twee-en-een-half octaven boven midden C). Aangezien hier ruwweg het bereik van het horen van knaagdieren begint, is het het bereik dat een uil het meest zou profiteren van het onderdrukken als hij jaagt voor een maaltijd.Jaworski en Ian Clark (geen relatie met Christopher) van NASA ‘ s Langley Research Center hebben geprobeerd het Fluweel van de uil na te bootsen door een standaard vleugelprofiel te bedekken met verschillende soorten stof. “Het winnende Textiel was een bruidssluier”, zegt Jaworski. Het kan echter niet nodig zijn om uw huwelijksaccessoires te doneren aan de wetenschap, omdat de onderzoekers nog betere resultaten kregen door kleine plastic 3D-geprinte “finlets” aan de bladen van een windturbine te bevestigen.
onderzoek suggereert dat uilenvleugels drie kenmerken hebben die bijdragen aan hun stille vlucht: een ” kam ” structuur (net zichtbaar aan de vleugel rechtsboven), rafelige achterranden (zichtbaar aan de onderkant van de vleugel) en een fluweelachtig materiaal dat een groot deel van de linker bovenzijde van de vleugel bedekt. De kamstructuur van een ander exemplaar is onderaan van dichtbij te zien.
krediet: THOMAS GEYER
“Over een bepaald frequentiebereik zagen we een 10-decibel ruisonderdrukking”, zegt Jaworski. “Dat klinkt misschien niet veel, maar in luchtakoestiek vechten ingenieurs om twee of drie decibel. Tien decibel is half zo luidruchtig. Dat is een enorme verandering voor elke technologie.”Siemens, een fabrikant van windturbines, heeft blijkbaar geluisterd, en onlangs onthulde zijn tweede generatie “Dino staart” turbines die kammen direct geïnspireerd door de uil vleugel.
vederachtig enigma
hoewel owl wings nieuwe inzichten bieden in ruisonderdrukking voor luchtvaarttechniek, hebben ingenieurs minder succes gehad bij het beschrijven van de fysica van owl flight. Volgens ornitholoog Clark hebben de ingenieurs misschien niet eens de belangrijkste geluidsbron in de uilenlucht geïdentificeerd.
als je probeert een uil te bouwen, in plaats van een windturbine of een vliegtuig, zul je verschillende verschillen zien. Uilen hebben veren; vliegtuigen niet. uilen flapperen met hun vleugels; vliegtuigen niet.er is een goede reden dat luchtvaartingenieurs de voorkeur geven aan stationaire, stevige vleugels boven flapperende, gevederde vleugels: ze zijn gemakkelijker te begrijpen.
maar als je een bioloog bent, is het negeren van flappen het negeren van een fundamenteel ingrediënt in vogelvlucht, zegt Clark. Als vogelvleugels flapperen veranderen ze van vorm, en als ze van vorm veranderen wrijven de veren tegen elkaar aan, wat lawaai veroorzaakt. Dit geluid is wrijvend, niet aerodynamisch, geproduceerd door het contact van vaste stof tegen vaste stof.
volgens Clark is het doel van het Fluweel van de uil en de franjes om wrijvingsgeluiden tussen de veren tijdens het slaan te verminderen. Clark geeft toe dat zijn argument betwistbaar zou zijn als uilen zouden glijden tijdens de jacht, maar video-bewijs toont dat ze dat niet doen: ze flappen bij het opstijgen, ze flappen bij de landing en ze flappen zelfs wanneer ze “coursing” voor prooi.
wetenschappers die willen begrijpen waarom de vlucht van de uil verschilt van andere vogels hebben de turbulentiepatronen bestudeerd die in hun kielzog achterblijven. Hier wervelen vortices achter een computergeanimeerde grote gehoornde uil, gemaakt door Roi Gurka en Elias Balaras met behulp van gegevens verzameld uit windtunnelexperimenten. Rood en blauw wijzen op draaiende wervels in tegengestelde richtingen. Vergeleken met andere vogels, zoals strandlopers en spreeuwen, zijn de wervels van de uil klein en ongeorganiseerd en volgen ze niet ver achter de uil. Het mechanisme waarmee de uil deze wervels onderdrukt is nog niet begrepen.
krediet: ROI GURKA
en de franjes zitten niet alleen aan de achterrand van de vleugel, waar de aërodynamische theorie voorspelt dat ze het grootste geluidverminderende voordeel hebben. Franjes bestaan ook aan de voorranden van de veren, waar ze geen invloed hebben op aërodynamische ruis, evenals op sommige veren die niet eens worden blootgesteld aan de luchtstroom. Dit suggereert dat hun doel niet aerodynamisch is.Clark zegt dat we de vraag misschien achterstevoren stellen. In plaats van te vragen waarom uilen zo stil zijn, zouden we moeten vragen waarom andere vogels zo luidruchtig zijn. Het antwoord is veren. “Veren zijn verbazingwekkende structuren, en waarschijnlijk de reden waarom vogels zo succesvol zijn,” zegt Clark. Maar ze komen met evolutionaire kosten: “als je een vleugel van veren Gaat Bouwen, gaan ze wrijvingsgeluid produceren.”Om stille jagers te worden, ontwikkelden uilen speciale aanpassingen die dit nadeel verminderen.
uilen zijn niet de enige vogelsoort die dit probleem heeft opgelost. Sommige soorten Australische kikvorsmannen hebben onafhankelijk van elkaar dezelfde aanpassingen ontwikkeld. Deze vogels zijn ook vleesetend en hebben vleugels die zacht en pluizig zijn met kammen en rafelige franjes. In Grahams tijd gingen mensen ervan uit dat kikvorsmannen nauw verwant waren aan uilen, maar genomische analyse heeft aangetoond dat ze dat niet zijn. Hoewel minder bestudeerd dan uilen, zijn ook zij stille vliegers.
“evolutie neemt vaak een eigenzinnig pad,” zegt Clark. “Een manier om de onderliggende mechanische principes te begrijpen, en ze te onderscheiden van eigenaardigheden, is met convergente evolutie.”Wanneer twee niet-verwante dieren dezelfde aanpassing hebben, suggereert het dat de functie een voordeel verleent-in dit geval, stealth.
op dit moment zijn er twee manieren om uilenvlucht te begrijpen: een ingenieursbeeld gebaseerd op vergelijkingen van vloeistofbewegingen en windtunnelexperimenten, en een biologisch beeld gebaseerd op anatomie, gedrag en genomica. Een echt geïntegreerd verhaal zal waarschijnlijk beide vereisen. Zelfs ingenieurs realiseren zich dat geïdealiseerde studies op basis van starre, ongeëvenaarde vleugels niet genoeg zijn. Het is heel goed mogelijk dat de uil zijn veren en kleine vormaanpassingen van de vleugel actief gebruikt, in plaats van passief, om de luchtstroom te manipuleren. Ingenieurs zijn niet eens in de buurt van het begrijpen van dit proces, dat meerdere grootte schalen overspant, van de weerhaken van de veren tot de individuele veren, tot de hele vleugel.”Wat ons ontbreekt is het microscopische gezichtspunt”, zegt Roi Gurka van de Coastal Carolina University in South Carolina, wiens experimenten met vliegende uilen hebben geleid tot prachtige computersimulaties van het stroomveld rond een slagvleugel. “Ik begrijp de vleugel”, zegt hij, maar het begrijpen van de rol die individuele veren morfologie speelt in ruisonderdrukking is een andere zaak.Terwijl de wetenschappers debatteren, zal de Kerkuil blijven vliegen zoals hij altijd heeft gedaan: zijn gezicht zo rond en onverstoorbaar als de maan, zijn oren getraind bij zijn volgende maaltijd en zijn veren zacht op de lucht tredend.