Никто точно не знает, как ночные охотники управляют своим шепотом, но это вдохновляет на создание более тихих самолетов, вентиляторов и ветряных турбин
У каждого любителя сов есть история о том, как он впервые услышал сову - или, скорее, не услышал. Незабываемо видеть, как огромная птица, размах крыльев которой может достигать более двух метров, скользит по воздуху без единого шепота.
Первая близкая встреча Джастина Яворски произошла на летной выставке в Raptor Foundation недалеко от Кембриджа, Англия. «Они научили сов подлетать очень близко к зрителям, - говорит он. «Мой первый опыт состоял в том, чтобы пригнуться, чтобы избежать столкновения. После того, как он прошел, я услышал только очень слабый шорох».
Лабораторные измерения показали, что слабый свист, издаваемый сипухой, находится ниже порога человеческого слуха, пока сова не окажется на расстоянии около трех футов - подвиг скрытности, который биологи и инженеры далеки от полного понимания. Но исследователи из обеих дисциплин работают над решением загадки бесшумного полета - некоторые из них с целью создания более тихих вентиляторов, лопастей турбин и крыльев самолетов.
Такие вдохновленные совами инновации могут снизить шум на целых 10 децибел, подобно разнице в шуме между проезжающим грузовиком и проезжающим автомобилем, пишут Яворски и Найджел Пик в обзоре, опубликованном в Ежегоднике за 2020 год. Обзор гидромеханики.
Нежнее
Яворски, инженер из Университета Лихай в Пенсильвании, едва ли не первый ученый, увлеченный загадкой бесшумного полета совы. В 1934 году Роберт Рул Грэм, британский пилот и знаток птиц, обратил внимание на три структуры на крыльях совы, которые могли объяснить молчание сов.
Более 80 лет спустя его «парадигма трех признаков», как ее называет Кристофер Кларк, до сих пор цитируется во многих статьях о крыльях совы. «Он явно очень хорошо знал птиц и был авиационным инженером», - говорит Кларк, орнитолог из Калифорнийского университета в Риверсайде. «Наука была другой в 1930-е годы. В наш век специализации такой комбинации не бывает».
Во-первых, Грэм указал на необычную структуру, называемую «гребенкой», которая буквально выглядит как гребень, выступающий вперед от передней кромки крыла. Во-вторых, он заметил, что большая часть крыла совы покрыта мягким слоем бархатистых перьев. Наконец, он заметил, что перья на задней кромке крыла образуют рваную бахрому.
Большинство исследователей по-прежнему согласны с тем, что гребень, бархат и бахрома каким-то образом уменьшают шум, но у совы может быть больше хитростей в рукаве. «Когда все будет сказано и сделано, я думаю, у нас будет несколько механизмов, включая механизм Грэма», - говорит Кларк.
Чтобы объяснить, как сова подавляет шум, в первую очередь нужно определить, откуда он исходит. Для самолета, заходящего на посадку, большая часть шума исходит не от двигателей, а от потока воздуха вокруг самолета, особенно от задней кромки крыльев. Турбулентный воздух, проносящийся мимо открытых краев крыльев, превращается в глухой рев, который вы слышите, когда самолет летит над головой.
Одним из способов уменьшить этот шум было бы сделать заднюю кромку крыла менее твердой, более пористой и более гибкой. Это может быть функцией рваной бахромы крыла совы. Яворски и Пик математически рассчитали, как инженеры могут использовать такую пористость и эластичность для снижения шума, и как количественно оценить уменьшение шума.
Эти расчеты подтверждаются экспериментами в аэродинамической трубе: различные пористые материалы снижают уровень шума. Работа Томаса Гейера из Бранденбургского технологического университета в Германии показала, что пороэластичное крыло размером с совиное может быть примерно на 2-5 децибел тише, чем обычное крыло.
Однако, говорит Гейер, правильный пористый материал имеет решающее значение; при испытаниях в аэродинамической трубе некоторые материалы фактически увеличивали высокочастотный шум. Измерения сов в полете показывают, что их крылья заглушают только частоты выше 1600 герц (на фортепиано на две с половиной октавы выше среднего C). Поскольку это примерно то место, где начинается диапазон слуха грызунов, это диапазон, подавление которого было бы наиболее полезным для совы, когда она охотится за едой.
Яворски и Ян Кларк (не родственник Кристофера) из Исследовательского центра НАСА в Лэнгли попытались имитировать бархат совы, покрыв стандартный аэродинамический профиль различными видами ткани. «Тканью-победителем стала свадебная фата, - говорит Яворски. Тем не менее, возможно, нет необходимости жертвовать свои свадебные принадлежности науке, потому что исследователи добились еще лучших результатов, прикрепив крошечные пластиковые «плавнички», напечатанные на 3D-принтере, к лопастям ветряной турбины.
«В определенном диапазоне частот мы увидели снижение шума на 10 децибел», - говорит Яворски. «Это может показаться не таким уж большим, но в области воздушной акустики инженеры борются за два или три децибела. Десять децибел - это вдвое меньше шума. Это серьезное изменение для любой технологии». Компания Siemens, производитель ветряных турбин, по-видимому, прислушалась и недавно представила турбины второго поколения «Dino Tail», гребни которых напоминают крылья совы.
Пернатая загадка
Хотя крылья совы дают новое представление о шумоподавлении для авиационной техники, инженеры добились меньшего успеха в описании физики полета совы. По словам орнитолога Кларка, инженеры, возможно, даже не определили самый важный источник шума в полете совы.
Если вы пытаетесь построить сову, а не ветряк или самолет, вы заметите несколько отличий. У сов есть перья; самолетов нет. Совы хлопают крыльями; самолетов нет. Есть веская причина, по которой авиационные инженеры предпочитают неподвижные цельные крылья машущим перьям: их легче понять.
Но если вы биолог, игнорировать взмахи крыльев означает игнорировать фундаментальный компонент птичьего полета, говорит Кларк. Взмахивая крыльями птиц, они меняют форму, а когда они меняют форму, перья трутся друг о друга, вызывая шум. Этот шум фрикционный, а не аэродинамический, он возникает при контакте твердого тела с твердым телом.
По мнению Кларка, цель бархата и бахромы совы состоит в том, чтобы уменьшить шум трения между перьями во время взмахов. Кларк признает, что его аргумент был бы спорным, если бы совы парили во время охоты, но видеодоказательства показывают, что это не так: они взмахивают крыльями при взлете, взмахивают взмахами при приземлении и даже взмахивают взмахами, когда «гоняются» за добычей.
И полосы есть не только на задней кромке крыла, где, согласно аэродинамической теории, они имеют наибольшее преимущество в снижении шума. Бахрома также существует на передних кромках перьев, где они не влияют на аэродинамический шум, а также на некоторых перьях, которые даже не подвергаются воздействию воздушного потока. Это говорит о том, что их назначение не аэродинамическое.
Кларк говорит, что мы, возможно, задаем вопрос наоборот. Вместо того, чтобы спрашивать, почему совы такие тихие, мы должны спросить, почему другие птицы такие громкие. Ответ - перья. «Перья - удивительная структура, и, вероятно, именно поэтому птицы так успешны», - говорит Кларк. Но у них есть эволюционная цена: «Если вы собираетесь построить крыло из перьев, они будут издавать фрикционный звук». Чтобы стать тихими охотниками, совы выработали специальные приспособления, уменьшающие этот недостаток.
Совы - не единственные птицы, решившие эту проблему. Некоторые виды австралийских лягушек независимо друг от друга выработали такие же приспособления. Эти птицы также плотоядны и имеют мягкие и пушистые крылья с гребешками и рваной бахромой. Во времена Грэма люди предполагали, что лягушачьи пасти были тесно связаны с совами, но геномный анализ доказал, что это не так. Хотя они менее изучены, чем совы, они тоже летают молча.
«Эволюция часто идет причудливым путем, - говорит Кларк.«Один из способов, которым вы можете сосредоточиться на основных механических принципах и отличить их от причуд, - это конвергентная эволюция». Когда у двух неродственных животных одинаковая адаптация, это предполагает, что эта особенность дает преимущество - в данном случае скрытность.
В настоящее время есть два способа понять полет совы: инженерный взгляд, основанный на уравнениях движения жидкости и экспериментах в аэродинамической трубе, и биологический взгляд, основанный на анатомии, поведении и геномике. По-настоящему интегрированная история, вероятно, потребует и того, и другого. Даже инженеры понимают, что идеализированных исследований, основанных на жестких неоперенных крыльях, недостаточно. Вполне возможно, что сова использует свои перья и небольшие изменения формы крыла активно, а не пассивно, чтобы манипулировать воздушным потоком. Инженеры даже не приблизились к пониманию этого процесса, который охватывает несколько масштабов, от зазубрин перьев до отдельных перьев и всего крыла.
«Чего нам не хватает, так это микроскопической точки зрения», - говорит Рой Гурка из Университета Прибрежной Каролины в Южной Каролине, чьи эксперименты с летающими совами привели к прекрасному компьютерному моделированию поля течения вокруг взмах крыла совы.«Я понимаю крыло», - говорит он, но понимание роли, которую морфология отдельных перьев играет в снижении шума, - это другое дело.
Пока спорят ученые, сипуха будет продолжать летать, как и всегда: ее лицо такое же круглое и невозмутимое, как луна, ее уши прикованы к следующему приему пищи, а ее перья мягко перебирают воздух.