varje ugglafantast har en berättelse om första gången de hörde en uggla — eller snarare inte hörde en. Det är oförglömligt att se en enorm fågel, vars vingspets kan nå mer än sex meter och glida genom luften utan att ens viska.
Justin Jaworskis första Närkontakt kom på en flygutställning på Raptor Foundation nära Cambridge, England. ”De tränade ugglorna att flyga mycket nära publiken”, säger han. ”Min första erfarenhet var att ducka för att undvika en kollision. Jag hörde bara en mycket liten swoosh efter det passerade.”
laboratoriemätningar har visat att den lilla swoosh som gjorts av en ladugård uggla ligger under tröskeln för mänsklig hörsel tills ugglan är ungefär tre meter bort — en prestation av smyg som biologer och ingenjörer långt ifrån helt förstår. Men forskare från båda disciplinerna arbetar för att lösa gåtan om tyst flygning — några i syfte att designa tystare fläktar, turbinblad och flygplansvingar.
en stor grå uggla (Strix nebulosa) hittar en abborre på ingenjören Justin Jaworski.
kredit: JUSTIN JAWORSKI
sådana ugglinspirerade innovationer kan minska bullret med så mycket som 10 decibel, liknande skillnaden i buller mellan en förbipasserande lastbil och en förbipasserande bil, Jaworski och Nigel Peake skriver i en översikt i 2020 års översyn av fluidmekanik.
go gentle
Jaworski, ingenjör vid Lehigh University i Pennsylvania, är knappast den första forskaren som fängslas av pusslet om silent owl flight. År 1934 Robert Rule Graham — en brittisk pilot och fågelkännare — uppmärksammade tre strukturer på Uggla vingar som kan redogöra för ugglornas tystnad.
mer än 80 år senare Citeras hans ”tre dragparadigm”, som Christopher Clark kallar det, fortfarande i många artiklar om Uggla vingar. ”Han kände tydligt fåglar mycket bra, och han var flygingenjör”, säger Clark, en ornitolog vid University of California, Riverside. ”Vetenskapen var annorlunda på 1930-talet. i vår tidsålder av specialisering får du inte den kombinationen.”
först påpekade Graham en ovanlig struktur som kallas ”kammen”, som bokstavligen ser ut som en kam som skjuter framåt från vingens framkant. För det andra noterade han att det mesta av uggelvingen är täckt med ett mjukt lager av flätiga fjädrar. Slutligen observerade han att fjädrarna på Vings bakkant bildar en trasig Frans.
de flesta forskare är fortfarande överens om att kammen, sammet och fransen kombinerar på något sätt för att minska buller, men ugglan kan ha fler knep i ärmen. ”När allt är sagt och gjort tror jag att vi kommer att ha ett antal mekanismer, inklusive Grahams”, säger Clark.
för att förklara hur en uggla undertrycker buller, skulle det hjälpa till att identifiera var bruset kommer ifrån i första hand. För ett flygplan som kommer in för landning kommer en stor del av bullret inte från motorerna utan från luftflödet runt Planet, särskilt ljudet som produceras vid vingarnas bakkant. Den turbulenta luften rusar förbi de exponerade kanterna på vingarna översätter till det tråkiga bruset du hör när planet flyger över huvudet.
forskare utbildade en Florida barred owl (Strix varia alleni) för att flyga genom ett speciellt inspelningsrum. De glidande ugglorna genererade väldigt lite ljud inom området för mänsklig hörsel (människor kan höra ljud ovanför den streckade linjen). Lågfrekventa ljud från owl flight är ohörbara, oavsett avståndet. Människor kan höra flygbuller i mellanfrekvenserna när ugglan är mellan en och tre meter bort. Uggla vingar och fjädrar är särskilt bra för att dämpa högre frekvensljud, som bara kan höras om en person står inom en meter från bruset.
ett sätt att minska detta ljud skulle vara att göra vingens bakkant mindre hård, mer porös och mer flexibel. Detta kan vara funktionen hos uggelvingens ragged fransar. Jaworski och Peake har matematiskt beräknat hur ingenjörer kan använda sådan porositet och elasticitet för att minska buller och hur man kvantifierar den minskade din.
dessa beräkningar stöds av vindtunnelexperiment: en mängd porösa material ringer ner bruset. Arbete av Thomas Geyer vid Brandenburg University of Technology i Tyskland har funnit att en poroelastisk vinge storleken på en uggla kan vara cirka 2 till 5 decibel tystare än en vanlig vinge.
men, säger Geyer, rätt poröst material är avgörande; i vindtunneltesterna ökade vissa material faktiskt högfrekvent brus. Mätningar av ugglor under flygning visar att deras vingar bara stänger av frekvenser högre än 1600 hertz (på ett piano, två och en halv oktaver över mitten C). Eftersom det här är ungefär där utbudet av gnagarhörning börjar, är det det område som en uggla skulle dra nytta av att undertrycka när den jagar för en måltid.
Jaworski och Ian Clark (ingen relation till Christopher) från NASAs Langley Research Center har försökt att efterlikna ugglens sammet genom att täcka en vanlig flygblad med olika typer av tyg. ”Den vinnande textilen var ett bröllopsslöja”, säger Jaworski. Det kan dock inte vara nödvändigt att donera dina bröllops tillbehör till vetenskapen, eftersom forskarna fick ännu bättre resultat genom att fästa små plast 3-D–tryckta ”finlets” till bladen på en vindkraftverk.
forskning tyder på att Uggla vingar har tre funktioner som bidrar till deras tysta flygning: en” kam ” – struktur (bara synlig längst upp till höger på vingen), trasiga bakkanter (synliga längs vingen) och ett sammetslen material som täcker mycket av vingen övre vänstra. Kamstrukturen från ett annat prov visas närbild längst ner.
kredit: THOMAS GEYER
”över ett visst frekvensområde såg vi en brusreducering på 10 decibel”, säger Jaworski. ”Det kanske inte låter så mycket, men i luftakustik kämpar ingenjörer över två eller tre decibel. Tio decibel är hälften så bullriga. Det är en enorm förändring för vilken teknik som helst.”Siemens, en tillverkare av vindkraftverk, har tydligen lyssnat och nyligen avslöjat sina andra generationens ”Dino Tail”-turbiner som har kammar direkt inspirerade av owl wing.
Feathery enigma
även om owl wings ger nya insikter om brusreducering för flygteknik, har ingenjörer haft mindre framgång som beskriver owl-flygets fysik. Enligt ornitologen Clark kanske ingenjörerna inte ens har identifierat den viktigaste ljudkällan i owl aviation.
om du försöker bygga en uggla, snarare än en vindkraftverk eller ett flygplan, kommer du att märka flera skillnader. Ugglor har fjädrar; flygplan gör det inte. ugglor klappar sina vingar; flygplan gör det inte. det finns en bra anledning att flygtekniker föredrar stationära, solida vingar framför flappande, fjädrande: de är lättare att förstå.
men om du är en biolog, att ignorera flapping är att ignorera en grundläggande ingrediens i fågelflyg, säger Clark. När fågelvingarna klappar ändrar de form, och när de byter form gnuggar fjädrarna mot varandra och orsakar buller. Detta ljud är friktionsfritt, inte aerodynamiskt, producerat genom kontakt av fast ämne mot fast ämne.
enligt Clarks uppfattning är syftet med ugglens sammet och fransarna att minska friktionsbrus mellan fjädrarna medan de flappar. Clark medger att hans argument skulle vara omtvistat om ugglor gled under jakt, men video bevis visar att de inte: de flaxa när du tar bort, de flaxa när landning och de även flaxa när ”coursing” för byte.
forskare som försöker förstå varför ugglens flygning skiljer sig från andra fåglar har studerat turbulensmönstren kvar i deras kölvatten. Här virvlar virvlar bakom en datoranimerad stor hornad Uggla, skapad av Roi Gurka och Elias Balaras med hjälp av data som samlats in från vindtunnelförsök. Rött och blått indikerar virvlar som snurrar i motsatta riktningar. Jämfört med andra fåglar som sandpipers och Europeiska starar är ugglans virvlar små och oorganiserade och springer inte så långt bakom ugglan. Mekanismen genom vilken ugglan undertrycker dessa virvlar är ännu inte förstådd.
kredit: ROI GURKA
och fransarna är inte bara på vingens bakkant, där den aerodynamiska teorin skulle förutsäga att de skulle ha den största brusreducerande fördelen. Fransar finns också på fjädrarnas främre kanter, där de inte påverkar aerodynamiskt ljud, liksom på vissa fjädrar som inte ens utsätts för luftflödet. Detta tyder på att deras syfte inte är aerodynamiskt.
Clark säger att vi kanske ställer frågan bakåt. Istället för att fråga varför ugglor är så tysta, borde vi fråga varför andra fåglar är så höga. Svaret är fjädrar. ”Fjädrar är fantastiska strukturer, och förmodligen anledningen till att fåglar är så framgångsrika”, säger Clark. Men de kommer med en evolutionär kostnad: ”om du ska bygga en vinge av fjädrar, kommer de att producera friktionsljud.”För att bli tysta jägare utvecklade ugglor speciella anpassningar som minskar denna nackdel.
ugglor är inte den enda typen av fågel som har löst detta problem. Vissa arter av australiensiska frogmouths har självständigt utvecklat samma anpassningar. Dessa fåglar är också köttätande och har vingar som är mjuka och fluffiga med Kammar och trasiga fransar. På Grahams tid antog folk att frogmouths var nära besläktade med ugglor, men genomisk analys har visat att de inte är det. Medan mindre studerade än ugglor, de är också tysta flygblad.
”evolutionen tar ofta en udda väg”, säger Clark. ”Ett sätt du kan komma in på de underliggande mekaniska principerna, och berätta för dem bortsett från quirks, är med konvergent evolution.”När två orelaterade djur har samma anpassning, föreslår det att funktionen ger en fördel — i detta fall stealth.
för närvarande finns det två sätt att förstå owl-flygning: en teknisk vy informerad av ekvationerna för flytande rörelse och vindtunnelexperiment och en biologisk syn baserad på anatomi, beteende och genomik. En verkligt integrerad historia kommer förmodligen att kräva båda. Även ingenjörer inser att idealiserade studier baserade på styva, ofjädrade vingar inte räcker. Det är mycket möjligt att ugglan använder sina fjädrar och små formjusteringar av vingen aktivt, snarare än passivt, för att manipulera luftflödet. Ingenjörer är inte ens nära att förstå denna process, som sträcker sig över flera storleksskalor, från fjädrarna till de enskilda fjädrarna, till hela vingen.
” det som saknas för oss är den mikroskopiska synvinkeln”, säger Roi Gurka från Coastal Carolina University i South Carolina, vars experiment med flygande ugglor har lett till vackra datorsimuleringar av flödesfältet runt en flappande ugglavinge. ”Jag förstår vingen”, säger han, men att förstå den roll som individuell fjädermorfologi spelar i brusreducering är en annan sak.
medan forskarna debatterar fortsätter ladugården att flyga som den alltid har: ansiktet är lika runt och imperturbabelt som månen, öronen tränade på nästa måltid och fjädrarna trampar försiktigt i luften.