Anatomical, morphometrical and biomechanical studies of barn owls' and pigeons' wings

Bachmann, Thomas Willem; Wagner, Hermann

doi:30213

Anatomical, morphometrical and biomechanical studies of barn owls' and pigeons' wings = Anatomische, morphometrische und biomechanische Studien über Schleiereulen- und Taubenflügel

Bachmann, Thomas Willem (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Willem Bachmann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangII, 91 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wagner, Hermann (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-05-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32516
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51750/files/3251.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bionik (Genormte SW) ; Vogelflug (Genormte SW) ; Biomechanik (Genormte SW) ; Funktionelle Anatomie (Genormte SW) ; Schleiereule (Genormte SW) ; Haustaube (Genormte SW) ; Aerodynamik (Genormte SW) ; Tiere (Zoologie) (frei) ; biomimetic (frei) ; bird flight (frei) ; barn owl (frei) ; pigeon (frei) ; anatomy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 590

Kurzfassung
Flügel und Federn von Schleiereulen (Tyto alba) wurden mit anatomischen, morphometrischen und biomechanischen Methoden untersucht um geräuschreduzierende und geräuschunterdrückende Strukturen, die von der Eule im Laufe der Evolution entwickelt wurden, zu bestimmen. Tauben (Columba livia) wurden als Referenz für diese Studie gewählt. Schleiereulenflügel haben eine 2,5-mal größere Flügelfläche als Taubenflügel. Da Schleiereulen und Tauben in etwa gleich schwer sind, ist folglich die Flächenbelastung bei Schleiereulen deutlich geringer. Schleiereulenflügel zeichnen sich durch eine hohe Wölbung und eine deutliche Dicke in anterior-proximalen Flügelregionen und durch eine geringe Wölbung und geringe Dicke in distalen und posterior-proximalen Flügelregionen aus. Eine solche Flügelkonfiguration ermöglicht es der Schleiereule langsam zu fliegen, wodurch Fluggeräusche reduziert werden. Taubenflügel sind kleiner, weniger gewölbt und zeigen eine andere Dickenverteilung. Sie erzeugen weniger Auftrieb als die Flügel der Schleiereule. Wenn Tauben in zu Eulen vergleichbaren Geschwindigkeitsbereichen fliegen, zum Beispiel beim Starten, so müssen sie mit deutlich erhöhter Frequenz mit ihren Flügeln schlagen. Um zusätzlichen Auftrieb zu erzeugen schlagen Tauben öfter mit ihren Flügeln als Schleiereulen. Diese erhöhte Flügelschlagfrequenz spiegelt sich auch in einem unterschiedlichen Muskelvolumen und in einem unterschiedlichen Knochenbau wieder. Schleiereulenflügel weisen einige Oberflächen- und Kantenmodifikationen auf, die entweder für eine Strömungsbeeinflussung, eine Geräuschreduktion oder beides verantwortlich gemacht werden. Eine neue drei-dimensionale Messmethode, die die Konfokale Laserscanningmikroskopie nutzt, wurde etabliert, um diese filigranen Federstrukturen mit sehr hoher Auflösung zu rekonstruieren und zu untersuchen. Die Außenfahne der zehnten Handschwungfeder der Schleiereule weist eine Hakenkammstruktur auf, die durch die Enden der Federrami gebildet werden. Es zeigte sich, dass entlang der Federfahne sowohl die Verbiegung als auch die Form mehr oder weniger konstant sind. Kleine Unterschiede in der Länge und der Spitzenform könnten auf verschiedene Anströmwinkel zurückgeführt werden, oder sie könnten die Resultate von Abnutzungserscheinungen sein. Funktionell wird die Hakenkammstruktur als Turbulenzgenerator angesehen. Die Oberfläche jeder Schleiereulenfeder ist samtig weich. Diese samtartige Struktur wird von Verlängerungen der Hakenstrahlen, den so genannten Pennula, gebildet. Interessanterweise unterscheidet sich die samtige Struktur zwischen bedeckten und nicht bedeckten Federflächen. In den Flächen die bedeckt sind ist die Porosität der Oberflächenstruktur erhöht und die Pennula bilden eine reibungsreduzierende Oberfläche. Dadurch werden auch Reibungsgeräusche zwischen den Federn verringert. Die Oberfläche, die dem Luftstrom ausgesetzt ist, ist durch eine bürstenartige Struktur charakterisiert. Die Spitzen der Pennula enden in der Luftströmung und die Porosität ist geringer, verglichen mit der inneren Fahne. Derartige Strukturen an Eulenflügelprofilen stabilisieren die Umströmung, besonders bei geringen Fluggeschwindigkeiten. Schlussendlich sind alle Federn von einem Fransensaum umrandet. Einerseits sorgen die Fransen an der Flügelhinterkante dafür, dass die verschieden schnellen Luftströmungen sanft ineinander geführt werden, andererseits könnten die Fransen übereinander liegende Federfahnen miteinander verbinden, indem die Fransen in die durch die Federrami gebildeten Furchen hineingleiten. Hierdurch könnte eine glatte Flügelunterseite ohne scharfe und dadurch laute Kanten gebildet werden. Biomechanische Messungen mit zwei unabhängigen Methoden (Biegebalkentests und Nanoindentation) wurden genutzt, um den E-Modul von Federkeratin der Schleiereule und der Taube zu bestimmen. Schleiereulen haben einen E-Modul von 6,6 GPa, Tauben hingegen haben mit 7,5 GPa einen 12% höheren E-Modul. Darüber hinaus zeigten sich Anpassungen der Kielgeometrien an verschiedene Biegeverhalten der beiden untersuchten Vogelarten. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit können nun genutzt werden, um die Mechanismen der Geräuschreduktion mit einer höheren Genauigkeit zu untersuchen, als es bisher möglich war.

Wings and feathers of barn owls (Tyto alba) were investigated with anatomical, morphometrical and biomechanical methods in order to specify noise reduction and noise suppressing structures evolved by the owl. Pigeons (Columba livia) with a similar body weight were taken as a reference species. Barn owls' wings are 2.5 times larger in area size than wings of pigeons, resulting in a much lower wing loading. Furthermore, barn owls' wings are characterised by a high camber and a high thickness in anterior proximal wing regions and by a low camber and a low thickness in distal and posterior proximal wing regions. Such a wing configuration enables the barn owl to fly slowly, which in turn might reduce flight noise. Pigeons' wings are smaller, less cambered and show a different thickness distribution. Since their wings do not produce as much lift as wings of the barn owl, pigeons have to beat their wings at high frequencies in order to fly slowly, e.g. during take-off. In general, pigeons beat their wings more often than barn owls to produce more lift. The increased wing beat frequency is also reflected by the increased amount of muscle mass and the appearance of the supporting bones. Barn owls' wings are equipped with several surface and edge modifications that are responsible for either flow control or noise suppression or both. A new three-dimensional measuring method was established in order to reconstruct and investigate the filigree structures with high spatial resolution. Bending and shape of the serrations of the barn owl's 10^{ext{th}} primary remex was found to be more or less constant throughout the vane. Only length and tip shape differences were found that might be due to wearing effects or different angles of attack of the wing tip during flapping flight. Functionally, serrations might act as turbulence generators. Each feather of the wing is covered with a velvet-like dorsal surface formed by elongations of the hook radiates, the pennula. The structure of the pennula differed between covered and uncovered feather areas. In covered areas, the porosity of the pennula-structure was high and the pennula formed a friction reductive surface. The surface that is subjected to the air flow was characterised by a brush-like shape. The pennula tips ended in the air flow. At the same time the porosity was lower. Such a structure in combination with the wing geometry of barn owls stabilises the air flow, especially at low flight speed. Finally, the edges of the inner vanes of all flight feathers were fringed. On the one hand, fringes might merge the different fast air flows of the upper and lower wing side at the trailing edge of the wing, on the other hand, they might fuse superjacent vanes by gliding between the grooves formed by the ventral barb shafts. Thereby, a smooth lower wing surface might be formed without sharp and thus noisy edges. Biomechanical measurements with two independent methods (two-point bending tests and nanoindentation tests) were performed to determine the Young’s modulus of barn owls' and pigeons' feather keratin. While barn owls' feather keratin has a Young’s modulus of 6.6 GPa, the Young's modulus of pigeons' keratin is 7.5 GPa and thus by 12% higher. However, this difference could not explain the different bending behaviours of feathers of the two species. The geometry of the shafts had a large influence as well, which is expressed by several adaptations of the shaft's cortex. The results of this thesis may now be used for follow-up analysis of the mechanisms underlying noise reduction in a more veridical way.

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