każdy miłośnik sów ma historię o tym, że po raz pierwszy usłyszał sowę-a raczej jej nie słyszał. To niezapomniane zobaczyć ogromnego ptaka, którego rozpiętość skrzydeł może sięgać ponad 6 stóp, ślizgającego się w powietrzu bez szeptu.
pierwsze bliskie spotkanie Justina Jaworskiego miało miejsce na wystawie latania w Fundacji Raptor niedaleko Cambridge w Anglii. „Szkolili sowy, aby latały bardzo blisko publiczności”, mówi. „Moje pierwsze doświadczenie polegało na unikaniu kolizji. Słyszałem tylko lekki szum po tym, jak minął.”
pomiary laboratoryjne wykazały, że lekki szum sowy jest poniżej progu ludzkiego słuchu, dopóki sowa nie znajdzie się około trzech stóp dalej — wyczyn skradania się, którego biolodzy i inżynierowie są daleki od całkowitego zrozumienia. Ale naukowcy z obu dyscyplin pracują nad rozwiązaniem zagadki cichego lotu-niektórzy mają na celu zaprojektowanie cichszych wentylatorów, łopatek turbin i skrzydeł samolotu.
Wielka Sowa szara (Strix nebulosa) znajduje okonia na inżynierze Justynie Jaworskim.
autor: JUSTIN JAWORSKI
takie inspirowane sową innowacje mogą zredukować hałas nawet o 10 decybeli, podobnie jak różnica w hałasie między przejeżdżającą ciężarówką a przejeżdżającym samochodem, piszą Jaworski i Nigel Peake w przeglądzie w 2020 Annual Review of Fluid Mechanics.
Go gentle
Jaworski, inżynier z Lehigh University w Pensylwanii, nie jest pierwszym naukowcem, którego urzekła zagadka cichego lotu sowy. W 1934 roku Robert Rule Graham-Brytyjski pilot i koneser ptaków-zwrócił uwagę na trzy struktury na skrzydłach sowy, które mogą tłumaczyć milczenie sów.
ponad 80 lat później jego „paradygmat trzech cech”, jak nazywa go Christopher Clark, jest nadal cytowany w wielu publikacjach na temat skrzydeł sowy. „Bardzo dobrze znał ptaki i był inżynierem lotnictwa”, mówi Clark, ornitolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside. „Nauka była inna w latach 30. XX wieku. w naszej epoce specjalizacji nie ma takiej kombinacji.”
po pierwsze, Graham zwrócił uwagę na niezwykłą strukturę zwaną „grzebieniem”, który dosłownie wygląda jak grzebień wystający do przodu od krawędzi natarcia skrzydła. Po drugie, zauważył, że większość skrzydła sowy pokryta jest miękką warstwą aksamitnych piór. W końcu zauważył, że pióra na tylnej krawędzi skrzydła tworzą poszarpaną frędzlę.
większość badaczy wciąż zgadza się, że grzebień, aksamit i frędzle łączą się w jakiś sposób, aby zmniejszyć hałas, ale sowa może mieć więcej sztuczek w rękawie. „Kiedy wszystko zostanie powiedziane i zrobione, myślę, że będziemy mieli wiele mechanizmów, w tym Graham”, mówi Clark.
aby wyjaśnić, w jaki sposób Sowa tłumi hałas, pomogłoby to zidentyfikować, skąd pochodzi hałas. W przypadku samolotu przylatującego do lądowania, duża część hałasu pochodzi nie z silników, ale z przepływu powietrza wokół samolotu, zwłaszcza dźwięk wytwarzany na krawędzi spływu skrzydeł. Burzliwe powietrze przepływające przez odsłonięte krawędzie skrzydeł przekłada się na tępy ryk, który słyszysz, gdy samolot leci nad głową.
naukowcy wyszkolili sowę z Florydy (Strix varia alleni), aby przeleciała przez specjalną salę nagraniową. Sowy szybujące generowały bardzo mało dźwięku w zakresie ludzkiego słuchu (ludzie mogą słyszeć dźwięki powyżej linii przerywanej). Dźwięki o niskiej częstotliwości wydawane przez owl flight są niesłyszalne, bez względu na odległość. Ludzie mogą usłyszeć hałas lotu w średnich częstotliwościach, gdy Sowa znajduje się w odległości od jednego do trzech metrów. Skrzydła sowy i pióra są szczególnie dobre w tłumieniu dźwięków o wyższej częstotliwości, które można usłyszeć tylko wtedy, gdy osoba stoi w odległości metra od hałasu.
jednym ze sposobów zmniejszenia tego hałasu byłoby uczynienie krawędzi spływu skrzydła mniej twardym, bardziej porowatym i bardziej elastycznym. Może to być funkcja poszarpanych frędzli skrzydła sowy. Jaworski i Peake matematycznie obliczyli, w jaki sposób inżynierowie mogą wykorzystać taką porowatość i elastyczność do zmniejszenia hałasu i jak obliczyć, że zmniejszył din.
te obliczenia są poparte eksperymentami w tunelu aerodynamicznym: różne porowate materiały zmniejszają hałas. Prace Thomasa Geyera z Politechniki Brandenburskiej w Niemczech wykazały, że poroelastyczne skrzydło wielkości sowy może być o 2 do 5 decybeli cichsze od zwykłego skrzydła.
jednak, jak mówi Geyer, właściwy materiał porowaty ma kluczowe znaczenie; w testach w tunelu aerodynamicznym niektóre materiały faktycznie zwiększyły hałas o wysokiej częstotliwości. Pomiary sów w locie pokazują, że ich skrzydła wyciszają tylko częstotliwości wyższe niż 1600 herców (na fortepianie, dwie i pół oktawy powyżej środkowego C). Ponieważ jest to mniej więcej miejsce, w którym zaczyna się zakres słyszenia gryzoni, jest to zakres, w którym Sowa najbardziej skorzystałaby na tłumieniu, gdy poluje na posiłek.
Jaworski i Ian Clark (brak pokrewieństwa z Christopherem) Z Langley Research Center NASA próbowali naśladować aksamit sowy, pokrywając standardowy płat różnymi rodzajami tkaniny. – Zwycięską tkaniną był welon ślubny-mówi Jaworski. Jednak może nie być konieczne oddawanie akcesoriów ślubnych nauce, ponieważ naukowcy uzyskali jeszcze lepsze wyniki, mocując małe plastikowe „finlety” z nadrukiem 3D do łopatek turbiny wiatrowej.
badania sugerują, że skrzydła sowy mają trzy cechy, które przyczyniają się do ich cichego lotu: struktura „grzebieniowa” (widoczna tylko w prawym górnym skrzydle), poszarpane krawędzie spływu (widoczne wzdłuż spodu skrzydła) i aksamitny materiał pokrywający znaczną część lewego górnego skrzydła. Struktura grzebienia z innego okazu jest pokazana z bliska na dole.
„w pewnym zakresie częstotliwości mieliśmy do czynienia z 10-decybelową redukcją szumów” – mówi Jaworski. „To może nie brzmi zbyt wiele, ale w akustyce powietrznej inżynierowie walczą o dwa lub trzy decybele. Dziesięć decybeli jest o połowę głośniejsze. To ogromna zmiana dla każdej technologii.”Siemens, producent turbin wiatrowych, najwyraźniej słuchał i niedawno zaprezentował swoje turbiny drugiej generacji „Dino Tail”, które mają grzebienie bezpośrednio inspirowane skrzydłem owl.
piórkowa enigma
chociaż skrzydła sowy zapewniają nowy wgląd w redukcję hałasu dla inżynierii lotniczej, inżynierowie mieli mniejszy sukces opisując fizykę lotu sowy. Według ornitologa Clarka inżynierowie mogli nawet nie zidentyfikować najważniejszego źródła hałasu w owl aviation.
jeśli próbujesz zbudować sowę, a nie turbinę wiatrową lub samolot, zauważysz kilka różnic. Sowy mają pióra, samoloty nie. sowy machają skrzydłami, samoloty nie. jest dobry powód, dla którego inżynierowie lotnictwa wolą nieruchome, solidne skrzydła od trzepoczących, pierzastych: są łatwiejsze do zrozumienia.
ale jeśli jesteś biologiem, ignorowanie trzepotania jest ignorowaniem podstawowego składnika lotu ptaków, mówi Clark. Gdy skrzydła ptaków trzepią, zmieniają kształt, a gdy zmieniają kształt, pióra ocierają się o siebie, powodując hałas. Hałas ten jest tarciowy, a nie aerodynamiczny, wytwarzany przez kontakt ciała stałego z ciałem stałym.
zdaniem Clarka celem aksamitu sowy i frędzli jest zmniejszenie tarcia między piórami podczas trzepotania. Clark przyznaje, że jego argument byłby sporny, gdyby sowy szybowały podczas polowania, ale dowody wideo pokazują, że tak nie jest: trzepotają podczas startu, trzepotają podczas lądowania, a nawet trzepotają podczas „polowania” na zdobycz.
naukowcy starający się zrozumieć, dlaczego lot sowy różni się od innych ptaków, zbadali wzory turbulencji, które pozostały po nich. Tutaj wiry wirują za komputerowo animowaną wielką rogatą sową, stworzoną przez Roi Gurkę i Eliasa Balarasa na podstawie danych zebranych z eksperymentów w tunelu aerodynamicznym. Czerwony i niebieski oznaczają wiry wirujące w przeciwnych kierunkach. W porównaniu z innymi ptakami, takimi jak sandpipers i szpaki Europejskie, wiry sowy są małe i zdezorganizowane i nie tracą bardzo daleko za sową. Mechanizm, za pomocą którego Sowa tłumi te wiry, nie jest jeszcze poznany.
kredyt: ROI GURKA
obrzeża znajdują się nie tylko na tylnej krawędzi skrzydła, gdzie teoria aerodynamiczna przewiduje, że mają największe korzyści w zakresie redukcji hałasu. Frędzle występują również na krawędziach czołowych piór, gdzie nie wpływają na hałas aerodynamiczny, a także na niektórych piórach, które nie są nawet narażone na przepływ powietrza. Sugeruje to, że ich przeznaczenie nie jest aerodynamiczne.
Zamiast pytać, dlaczego sowy są tak ciche, powinniśmy zapytać, dlaczego inne ptaki są tak głośne. Odpowiedzią są pióra. „Pióra są niesamowitymi strukturami i prawdopodobnie powodem, dla którego ptaki odnoszą takie sukcesy”, mówi Clark. Ale mają one ewolucyjny koszt: „jeśli zamierzasz zbudować Skrzydło Z Piór, będą one wytwarzać dźwięk tarcia.”Aby stać się cichymi myśliwymi, sowy opracowały specjalne adaptacje, które zmniejszają tę wadę.
sowy nie są jedynym rodzajem ptaka, który rozwiązał ten problem. Niektóre gatunki Australijskich frogmoutów niezależnie rozwinęły te same adaptacje. Ptaki te są również mięsożerne i mają skrzydła, które są miękkie i puszyste z grzebieniami i poszarpanymi frędzlami. Za czasów Grahama ludzie zakładali, że frogmouty są blisko spokrewnione z sowami, ale analiza genomiczna wykazała, że nie są. Chociaż są mniej studiowane niż sowy, również są cichymi lotnikami.
„Ewolucja często obiera dziwaczną ścieżkę” – mówi Clark. „Jednym ze sposobów na zapoznanie się z podstawowymi zasadami mechaniki i odróżnienie ich od dziwactw jest konwergentna ewolucja.”Kiedy dwa niespokrewnione zwierzęta mają taką samą adaptację, sugeruje to, że cecha przynosi korzyść-w tym przypadku stealth.
obecnie istnieją dwa sposoby rozumienia lotu sowy: widok inżynieryjny oparty na równaniach ruchu cieczy i eksperymentach w tunelu aerodynamicznym oraz widok biologiczny oparty na anatomii, zachowaniu i genomice. Prawdziwie zintegrowana historia będzie prawdopodobnie wymagać obu. Nawet inżynierowie zdają sobie sprawę, że wyidealizowane badania oparte na sztywnych, niezachowanych skrzydłach to za mało. Jest całkiem możliwe, że sowa używa swoich piór i małych regulacji kształtu skrzydła aktywnie, a nie biernie, do manipulowania przepływem powietrza. Inżynierowie nie są nawet bliscy zrozumienia tego procesu, który obejmuje kilka skal wielkości, od kolców piór do pojedynczych piór, do całego skrzydła.
„brakuje nam mikroskopijnego punktu widzenia”, mówi Roi Gurka z Coastal Carolina University w Karolinie Południowej, którego eksperymenty z latającymi sowami doprowadziły do pięknych symulacji komputerowych pola przepływu wokół trzepoczącego skrzydła sowy. „Rozumiem skrzydło”, mówi, ale zrozumienie roli, jaką morfologia poszczególnych piór odgrywa w redukcji hałasu, to inna sprawa.
podczas gdy naukowcy debatują, Sowa stodoła będzie nadal latać tak, jak zawsze: jej twarz jest okrągła i niewzruszona jak księżyc, uszy ćwiczyły się podczas następnego posiłku, a pióra delikatnie depczą po powietrzu.