fiecare crescător de bufnițe are o poveste despre prima dată când au auzit o bufniță — sau, mai degrabă, nu au auzit una. Este de neuitat să vezi o pasăre enormă, a cărei anvergură a aripilor poate ajunge la mai mult de șase picioare, alunecând prin aer fără nici măcar o șoaptă.
prima întâlnire apropiată a lui Justin Jaworski a avut loc la o expoziție zburătoare la Fundația Raptor lângă Cambridge, Anglia. „Au antrenat bufnițele să zboare foarte aproape de public”, spune el. „Prima mea experiență a fost să mă feresc pentru a evita o coliziune. Am auzit doar o foarte ușoară swoosh după ce a trecut.”
măsurătorile de laborator au arătat că ușorul swoosh făcut de o bufniță de hambar este sub pragul auzului uman până când bufnița este la aproximativ trei metri distanță — o ispravă de stealth pe care biologii și inginerii sunt departe de a o înțelege complet. Dar cercetătorii din ambele discipline lucrează pentru a rezolva enigma zborului tăcut — unii cu scopul de a proiecta ventilatoare mai silențioase, lame de turbină și aripi de avion.
o mare bufniță cenușie (Strix nebulosa) găsește o bibană pe inginerul Justin Jaworski.
CREDIT: JUSTIN JAWORSKI
astfel de inovații inspirate de bufniță pot reduce zgomotul cu până la 10 decibeli, similar cu diferența de zgomot dintre un camion care trece și o mașină care trece, scriu Jaworski și Nigel Peake într-o prezentare generală din revizuirea anuală a mecanicii fluidelor din 2020.
Go gentle
Jaworski, inginer la Universitatea Lehigh din Pennsylvania, este cu greu primul om de știință captivat de puzzle-ul zborului tăcut al bufnițelor. În 1934, Robert rule Graham — pilot britanic și cunoscător de păsări — a atras atenția asupra a trei structuri de pe aripile bufnițelor care ar putea explica tăcerea bufnițelor.
mai mult de 80 de ani mai târziu, „paradigma celor trei trăsături”, așa cum o numește Christopher Clark, este încă citată în multe lucrări despre aripile bufnițelor. „Cunoștea foarte bine păsările și era inginer aeronautic”, spune Clark, ornitolog la Universitatea din California, Riverside. „Știința a fost diferită în anii 1930. în epoca noastră de specializare, nu obțineți această combinație.”
în primul rând, Graham a subliniat o structură neobișnuită numită” pieptene”, care literalmente arată ca un pieptene care se proiectează înainte de marginea anterioară a aripii. În al doilea rând, el a menționat că cea mai mare parte a aripii bufniței este acoperită cu un strat moale de pene catifelate. În cele din urmă, el a observat că penele de pe marginea posterioară a aripii formează o franjură zdrențuită.
majoritatea cercetătorilor sunt încă de acord că pieptenele, catifeaua și franjurile se combină într-un fel pentru a reduce zgomotul, dar bufnița poate avea mai multe trucuri în mânecă. „Când totul este spus și făcut, cred că vom avea o serie de mecanisme, inclusiv Graham ‘s”, spune Clark.
pentru a explica modul în care o bufniță suprimă zgomotul, ar ajuta la identificarea de unde provine zgomotul în primul rând. Pentru un avion care vine pentru o aterizare, o mare parte din zgomot nu provine de la motoare, ci de la fluxul de aer din jurul avionului, în special sunetul produs la marginea finală a aripilor. Aerul turbulent care trece peste marginile expuse ale aripilor se traduce prin vuietul plictisitor pe care îl auziți în timp ce avionul zboară deasupra capului.
cercetătorii au antrenat o bufniță din Florida (Strix varia alleni) pentru a zbura printr-o cameră specială de înregistrare. Bufnițele alunecătoare au generat foarte puțin sunet în gama auzului uman (oamenii pot auzi sunete deasupra liniei punctate). Sunetele de joasă frecvență făcute de zborul bufniței sunt inaudibile, indiferent de distanță. Oamenii pot auzi zgomotul de zbor în frecvențele medii atunci când bufnița se află între unu și trei metri distanță. Aripile și penele de bufniță sunt deosebit de bune la amortizarea sunetelor cu frecvență mai mare, care pot fi auzite numai dacă o persoană stă la un metru de zgomot.
o modalitate de a reduce acest zgomot ar fi de a face marginea posterioară a aripii mai puțin dură, mai poroasă și mai flexibilă. Aceasta poate fi funcția franjurilor zdrențuite ale aripii bufniței. Jaworski și Peake au calculat matematic modul în care inginerii ar putea folosi o astfel de porozitate și elasticitate pentru a reduce zgomotul și cum să cuantifice acest din diminuat.
aceste calcule sunt susținute de experimente în tunelul eolian: o varietate de materiale poroase reduc zgomotul. Munca lui Thomas Geyer de la Universitatea de tehnologie Brandenburg din Germania a constatat că o aripă poroelastică de dimensiunea unei bufnițe poate fi cu aproximativ 2 până la 5 decibeli mai liniștită decât o aripă obișnuită.
cu toate acestea, spune Geyer, materialul poros potrivit este crucial; în testele tunelului eolian, unele materiale au crescut de fapt zgomotul de înaltă frecvență. Măsurătorile bufnițelor în zbor arată că aripile lor mută doar frecvențe mai mari de 1.600 hertzi (pe un pian, două octave și jumătate deasupra mijlocului C). Deoarece aici începe aproximativ gama de auz a rozătoarelor, este gama pe care o bufniță ar beneficia cel mai mult de suprimarea pe măsură ce vânează pentru o masă.
Jaworski și Ian Clark (fără legătură cu Christopher) de la Centrul de cercetare Langley al NASA au încercat să imite catifea bufniței acoperind o aripă standard cu diferite tipuri de țesături. „Textilul câștigător a fost un voal de nuntă”, spune Jaworski. Cu toate acestea, este posibil să nu fie necesar să vă donați accesoriile nupțiale științei, deoarece cercetătorii au obținut rezultate și mai bune prin atașarea unor „finete” imprimate 3-D din plastic pe lamele unei turbine eoliene.
cercetările sugerează că aripile de bufniță au trei caracteristici care contribuie la zborul lor tăcut: o structură „pieptene” (vizibilă doar în partea dreaptă sus a aripii), margini posterioare zdrențuite (vizibile de-a lungul fundului aripii) și un material catifelat care acoperă o mare parte din partea stângă sus a aripii. Structura pieptene dintr-un specimen diferit este prezentat close-up în partea de jos.
CREDIT: THOMAS GEYER
„într-un anumit interval de frecvență, am văzut o reducere a zgomotului de 10 decibeli”, spune Jaworski. „Poate că nu sună prea mult, dar în acustica aerului, inginerii se luptă pentru doi sau trei decibeli. Zece decibeli sunt pe jumătate zgomotoși. Aceasta este o schimbare masivă pentru orice tehnologie.”Siemens, un producător de turbine eoliene, a ascultat aparent și a dezvăluit recent turbinele sale „Dino Tail” de a doua generație, care au piepteni inspirați direct de aripa bufniței.
Enigma cu pene
deși aripile de bufniță oferă noi informații despre reducerea zgomotului pentru ingineria aeronautică, inginerii au avut mai puțin succes în descrierea fizicii zborului bufniței. Potrivit ornitologului Clark, este posibil ca inginerii să nu fi identificat nici măcar cea mai importantă sursă de zgomot în aviația owl.
dacă încercați să construiți o bufniță, mai degrabă decât o turbină eoliană sau un avion, veți observa mai multe diferențe. Bufnițele au pene; avioanele nu. bufnițele bat din aripi; avioanele nu.există un motiv bun pentru care inginerii aeronautici preferă aripile staționare, solide decât cele cu pene: sunt mai ușor de înțeles.
dar dacă ești biolog, a ignora fluturarea înseamnă a ignora un ingredient fundamental în zborul aviar, spune Clark. Pe măsură ce aripile de pasăre se bat, își schimbă forma și, pe măsură ce își schimbă forma, penele se freacă una de cealaltă, provocând zgomot. Acest zgomot este fricțional, nu aerodinamic, produs prin contactul solidului cu solidul.
în viziunea lui Clark, scopul catifelei bufniței și al franjurilor este de a reduce zgomotul de frecare dintre pene în timp ce bate. Clark recunoaște că argumentul său ar fi discutabil dacă bufnițele ar aluneca în timp ce vânează, dar dovezile video arată că nu: clapă când decolează, clapă când aterizează și chiar clapă când „aleargă” după pradă.
oamenii de știință care încearcă să înțeleagă de ce zborul bufniței diferă de alte păsări au studiat modelele de turbulență lăsate în urma lor. Aici, vârtejurile se învârt în spatele unei bufnițe cu coarne animate de computer, create de ROI Gurka și Elias Balaras folosind datele colectate din experimentele tunelului eolian. Roșu și albastru indică vârtejuri care se rotesc în direcții opuse. În comparație cu alte păsări, cum ar fi sandpipers și grauri Europene, vârtejurile bufniței sunt mici și dezorganizate și nu se întind foarte mult în spatele bufniței. Mecanismul prin care bufnița suprimă aceste vârtejuri nu este încă înțeles.
CREDIT: ROI GURKA
și franjurile nu sunt doar pe marginea finală a aripii, unde teoria aerodinamică le-ar prezice că au cel mai mare beneficiu de reducere a zgomotului. Franjuri există, de asemenea, pe marginile frontale ale penelor, unde nu afectează zgomotul aerodinamic, precum și pe unele pene care nici măcar nu sunt expuse fluxului de aer. Acest lucru sugerează că scopul lor nu este aerodinamic.
Clark spune că s-ar putea să punem întrebarea înapoi. În loc să ne întrebăm de ce bufnițele sunt atât de liniștite, ar trebui să ne întrebăm de ce alte păsări sunt atât de zgomotoase. Răspunsul este pene. „Penele sunt structuri uimitoare și probabil motivul pentru care păsările au atât de mult succes”, spune Clark. Dar ele vin cu un cost evolutiv: „dacă ai de gând să construiești o aripă din pene, vor produce un sunet de frecare.”Pentru a deveni vânători tăcuți, bufnițele au dezvoltat adaptări speciale care reduc acest dezavantaj.
bufnițele nu sunt singurul tip de pasăre care a rezolvat această problemă. Unele specii de broaște australiene au dezvoltat în mod independent aceleași adaptări. Aceste păsări sunt, de asemenea, carnivore și au aripi moi și pufoase, cu piepteni și franjuri zdrențuite. În zilele lui Graham, oamenii au presupus că broaștele erau strâns legate de bufnițe, dar analiza genomică a dovedit că nu sunt. Deși sunt mai puțin studiați decât bufnițele, și ei sunt fluturași tăcuți.
„evoluția ia adesea o cale ciudată”, spune Clark. „O modalitate puteți acasă pe principiile mecanice care stau la baza, și Spune-le în afară de quirks, este cu evoluție convergentă.”Când două animale fără legătură au aceeași adaptare, sugerează că caracteristica conferă un beneficiu — în acest caz, stealth.
în prezent, există două moduri de a înțelege zborul bufniței: o viziune inginerească informată de ecuațiile experimentelor de mișcare fluidă și tunel de vânt și o viziune biologică bazată pe anatomie, comportament și genomică. O poveste cu adevărat integrată va necesita probabil ambele. Chiar și inginerii își dau seama că studiile idealizate bazate pe aripi rigide, fără pene, nu sunt suficiente. Este foarte posibil ca bufnița să-și folosească penele și micile ajustări ale formei aripii în mod activ, mai degrabă decât pasiv, pentru a manipula fluxul de aer. Inginerii nici măcar nu sunt aproape de a înțelege acest proces, care se întinde pe mai multe scări de dimensiuni, de la ghimpele penelor la penele individuale, până la întreaga aripă.
„ceea ce ne lipsește este punctul de vedere microscopic”, spune Roi Gurka de la Universitatea Coastal Carolina din Carolina de sud, ale cărei experimente cu bufnițe zburătoare au dus la frumoase simulări pe computer ale câmpului de curgere din jurul unei aripi de bufniță. „Înțeleg aripa”, spune el, dar înțelegerea rolului pe care îl joacă morfologia individuală a penei în reducerea zgomotului este o altă problemă.
în timp ce oamenii de știință dezbat, bufnița de hambar va continua să zboare așa cum a făcut-o întotdeauna: fața sa rotundă și imperturbabilă ca luna, urechile antrenate la următoarea masă și penele călcând ușor în aer.