Αν τα πουλιά μπορούσαν να είναι νίντζα, οι κουκουβάγιες θα έκαναν οι καλύτεροι. Σιωπηλές και ευκίνητες, οι κουκουβάγιες δεν αφήνουν χρόνο στη λεία τους να ξεφύγει καθώς επιδιώκουν να σκοτώσουν. Αυτή η αόρατη ικανότητα έχει εμπνεύσει τους επιστήμονες να δημιουργήσουν πιο αθόρυβη κίνηση για σχέδια αεροτομής σε καθημερινές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων αεροσκαφών, οχημάτων, drones και ανεμογεννητριών.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Ξιαν Ζιατότονγκ στο Χιάν της Κίνας χρησιμοποίησαν ειδικά φτερά κουκουβάγιας ως έμπνευση για πιο αθόρυβες λεπίδες στροβιλομηχανών, οι οποίες μπορεί να είναι θορυβώδεις καθώς ο αέρας «σκουπίζει» το πίσω άκρο των καμπυλωτών επιφανειών τους. (Στροβιλομηχανές είναι ένας όρος που περιγράφει μηχανές που μεταφέρουν ενέργεια μεταξύ ενός ρότορα και ενός ρευστού, συμπεριλαμβανομένων τόσο των στροβίλων όσο και των συμπιεστών).
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι οι οδοντωτές (ή πριονισμένες) πίσω άκρες μειώνουν τον θόρυβο των περιστρεφόμενων μηχανημάτων, ειδικά όταν έχουν σχήμα περισσότερο σαν τις άκρες των φτερών της κουκουβάγιας.
Ο αέρας που ρέει πάνω από αυτά τα σχήματα που μοιάζουν με χτένα διασπάται αντί να συνεχίσει σε ευθείες γραμμές, γεγονός που «πνίγει» το κύμα της κουκουβάγιας που περνάει. Τα πούπουλα στο υπόλοιπο φτερό μπορεί επίσης να απορροφήσουν τον ήχο. Οι ερευνητές περιγράφουν την έρευνά τους σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physics of Fluids στα τέλη του περασμένου έτους.
Οι κουκουβάγιες παράγουν περίπου 18 ντεσιμπέλ λιγότερο θόρυβο από άλλα πουλιά σε παρόμοιες ταχύτητες πτήσης λόγω της μοναδικής διαμόρφωσης των φτερών τους», λέει ο Χιαομίν Λιου, ένας από τους συγγραφείς της έρευνας.
Ένα «Πνευματικό Ζώο» Μηχανικής
Από τις πρώτες μέρες της ανθρώπινης πτήσης, οι εφευρέτες εμπνέονται από τα πουλιά. Οι αδερφοί Ράιτ, για παράδειγμα, αναγνώρισαν ότι τα σχήματα των φτερών των πουλιών ήταν ζωτικής σημασίας για να κατέβουν από το έδαφος, έτσι αντέγραψαν αυτές τις ιδιότητες στο μηχανικό σχεδιασμό του αεροπλάνου τους. Ωστόσο, οι επιστήμονες εξακολουθούν να μπερδεύονται όταν έρχονται αντιμέτωποι με το θορυβώδες πρόβλημα της ασυμφωνίας των οπισθίων άκρων, ένα φαινόμενο στο οποίο ο αέρας κινείται με θόρυβο πάνω από το πίσω άκρο μιας αεροτομής.
«Θα έλεγα ότι η κουκουβάγια υπήρξε ένα μακροχρόνιο πνευματικό ζώο,», λέει στο Popular Mechanics ο Τζάστιν Ζαγουόσκι, μηχανολόγος μηχανικός στο Πανεπιστήμιο Λέχιθ στη Βηθλεέμ της Πενσυλβάνια. «[Όταν] έχετε εξαντλήσει πολλές καινοτόμες ιδέες, αναζητάτε άλλα μέσα έμπνευσης. Και η κουκουβάγια είναι πηγή έμπνευσης για τουλάχιστον 80 χρόνια».
Ο αέρας συμπεριφέρεται σαν ρευστό καθώς ρέει πάνω και κάτω από μια αεροτομή, την επιφάνεια που κόβει τον αέρα με ταχύτητα. Για ένα αεροπλάνο ή ένα πουλί, η αεροτομή είναι το φτερό και για τις ανεμογεννήτριες είναι η περιστρεφόμενη λεπίδα. Το σχήμα της αεροτομής είναι το κλειδί για τη δημιουργία θορύβου εδώ. Όταν ο αέρας ρέει πάνω από το πίσω μέρος μιας αεροτομής, γίνεται τυρβώδης κατά μήκος της άνω και κάτω επιφάνειας της αεροτομής.
Όταν αυτό το στρώμα αέρα φτάσει στο πίσω μέρος μιας αεροτομής με λεία άκρα -το πίσω άκρο- διασκορπίζεται και δημιουργεί θόρυβο. «Οι οδοντωτές άκρες μπορούν να αποδυναμώσουν αυτή τη διαδικασία εν μέρει διαταράσσοντας την τοπική ροή αέρα όπου δημιουργείται αυτός ο θόρυβος», λέει ο Ζαγουόσκι.
Ορισμένες στροβιλομηχανές επωφελούνται ήδη από αυτή τη γνώση. Για παράδειγμα, η Siemens Gamesa με έδρα το Αμβούργο της Γερμανίας έχει προσθέσει οδοντωτές ακμές στις ανεμογεννήτριές της.
«Προς το παρόν, ο σχεδιασμός των λεπίδων της περιστρεφόμενης στροβιλομηχανής έχει ωριμάσει σταδιακά, αλλά η τεχνολογία μείωσης θορύβου εξακολουθεί να βρίσκει εμπόδιο», λέει ο Λιού. «Οι δυνατότητες μείωσης του θορύβου των συμβατικών δομών με πριονωτή οδόντωση είναι περιορισμένες και πρέπει να προταθούν και να αναπτυχθούν ορισμένες νέες μη λείες δομές στα πίσω άκρα για να αξιοποιήσουν περαιτέρω τις δυνατότητες μείωσης του βιονικού θορύβου».
Πώς λειτουργούν οι αεροτομές
Η εργασία του Ζαγουόσκι στη δυναμική των ρευστών, η μελέτη των υγρών και των αερίων σε κίνηση, εξετάζει ποια χαρακτηριστικά των φτερών της κουκουβάγιας είναι υπεύθυνα για αυτή τη σχεδόν αθόρυβη πτήση. Η εργασία του για την αεροακουστική της πτήσης κουκουβάγιας το 2020, που δημοσιεύτηκε στην Ετήσια Επιθεώρηση της Μηχανικής Ρευστών, ερευνά σημαντική προηγούμενη έρευνα σε αυτόν τον χώρο, συμπεριλαμβανομένης της δικής του επιδρομής στο πώς η φυσική της ροής αέρα θα μπορούσε να εφαρμοστεί στη δημιουργία πιο αθόρυβων τεχνολογιών. Οι επιστήμονες συνήθως διεξάγουν πειράματα για να μετρήσουν τον θόρυβο των ζωντανών κουκουβαγιών κατά την πτήση, να δοκιμάσουν τα δικά τους σχέδια αεροτομής που μιμούνται τα φτερά της κουκουβάγιας και να μοντελοποιήσουν μαθηματικά νέες δυνατότητες σχεδίασης.
Εν τω μεταξύ, ο Λιού και η ομάδα του ερεύνησαν επτά διαφορετικά σχέδια πίσω άκρων χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστή. δημιούργησαν ένα εικονικό σχήμα αεροτομής που αντιπροσωπεύει μέρος ενός φτερού κουκουβάγιας με μακριά αυτιά, αλλά άλλαξαν τα σχήματα των οπισθίων άκρων. Έτρεξαν κάθε θεωρητικό μοντέλο μέσω ενός προγράμματος που προσομοίωσε τη ροή του αέρα σε ταχύτητες που χρησιμοποιούνται για στροβιλομηχανές.
Οι δοκιμές τους έδειξαν ότι ένα ομαλό άκρο πίσω δημιουργεί τον περισσότερο θόρυβο. Έχοντας ένα μυτερό, πριονωτό σχήμα στο πίσω άκρο μειώνει κάπως τον θόρυβο. Ωστόσο, όταν τα τριγωνικά δόντια στην άκρη της αεροτομής είναι κυρτά και συζευγμένα σε δύο στρώματα, όπως τα φτερά στα άκρα του φτερού μιας κουκουβάγιας, το μοντέλο αεροτομής γίνεται σημαντικά πιο αθόρυβο.
Οι λείες πίσω άκρες εξηγούν γιατί οι ανεμογεννήτριες και τα αεροπλάνα είναι τόσο θορυβώδεις. Στην περίπτωση των αεροπλάνων, υπάρχει ένα ρευστό οριακό στρώμα, ένα λεπτό στρώμα αέρα που καλύπτει οποιαδήποτε επιφάνεια.
Οι κουκουβάγιες δεν κάνουν θόρυβο ώστε τα θηράματά τους, που έχουν πολύ ευαίσθητη ακοή, να μην τις προσέχουν να έρχονται. Όταν οι κουκουβάγιες περνούν δίπλα από μια πολύ ευαίσθητη σειρά μικροφώνων για να μετρήσουν τα επίπεδα ήχου τους, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι είναι ουσιαστικά σιωπηλές, τουλάχιστον για τα ανθρώπινα αυτιά. Για να μάθουν γιατί, οι επιστήμονες έχουν μετατρέψει σχέδια αεροτομής εμπνευσμένα από κουκουβάγια σε θεωρητικά μοντέλα. «Το να μπορούμε να αναπτύξουμε αυτά τα απλά υπολογιστικά μοντέλα και να λαμβάνουμε γνώσεις από αυτά είναι χρήσιμο όσον αφορά τη δημιουργία πολύ πιο εξελιγμένων μοντέλων που μπορούν να ενσωματώσουν πιο ρεαλιστικά χαρακτηριστικά του φτερού της κουκουβάγιας», λέει ο Ζαγουόσκι .
Ο Ντάνιελ Λέντικ από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, για παράδειγμα, μελετά την πτήση πουλιών. Ο Λέντικ ερεύνησε τα φτερά ενός χελιδονιού, το οποίο μένει στον αέρα για ένα χρόνο, ασταμάτητα, αφού φύγει από τη φωλιά.
Τρώει ιπτάμενα έντομα, μαζεύει νερό στα φτερά του, ακόμα ζευγαρώνει στον αέρα. Η ομάδα προπτυχιακών φοιτητών του Λέντικ ανέπτυξε στη συνέχεια ένα drone του οποίου ο σχεδιασμός βασίζεται στην πτητική συμπεριφορά του χελιδονιού. Δημιούργησε επίσης το PigeonBot, το πιο προηγμένο ρομπότ που μοιάζει με πτηνό που έχει κατασκευαστεί ποτέ λόγω της ικανότητάς του να μιμείται την κίνηση των φτερών του περιστεριού κατά τη διάρκεια της πτήσης. Δημοσίευσε την εργασία του για την κατανόηση της βιομηχανικής της πτήσης περιστεριών στην Science Robotics τον Ιανουάριο του 2020.
Όπως και άλλα αρπακτικά πουλιά, τα φτερά της κουκουβάγιας έχουν διάφορα δομικά μέρη και διατάξεις, καθώς και πολλά διαφορετικά σχήματα και μεγέθη φτερών. Η προσπάθεια μοντελοποίησης αυτών των πολύπλοκων βιολογικών μερών, των οποίων οι συγκεκριμένες λειτουργίες δεν είναι καν πλήρως κατανοητές, είναι πρόκληση, λέει ο Ζαγουόσκι .