Waarom vliegen uilen geruisloos? De wetenschap van de veren

Waarom vliegen uilen geruisloos? Omdat hun vleugels zo gebouwd zijn dat de lucht er nauwelijks geluid op maakt, waardoor de meeste uilen vliegen zonder dat wij iets horen; vooral geluid boven ongeveer 2 kHz wordt sterk gedempt. Drie kenmerken van de veren doen het meeste werk: een kam van stijve tandjes langs de voorrand van de buitenste vleugel, een zachte franje langs de achterranden van de slagpennen, en een fluweelachtig veeroppervlak. Grote, brede vleugels laten uilen bovendien langzaam vliegen met weinig vleugelslagen, en dat scheelt nog meer geluid.

Het resultaat is een vlucht die veel stiller is dan die van andere vogels, vooral in de hogere tonen. Dat helpt een uil om ongemerkt bij zijn prooi te komen en, minstens zo belangrijk, om tijdens het vliegen naar die prooi te blijven luisteren.

Kort antwoord: stille vlucht in één oogopslag

Zijn uilen echt geluidloos?

Niet helemaal, maar bijna genoeg om mensen en prooien voor de gek te houden. Als een houtduif vlak bij je opvliegt, hoor je het geklapper van zijn vleugels. De vleugelslagen van een kraai maken een hoorbaar gezoef. Een uil die op dezelfde afstand langs vliegt, maakt misschien geen enkel geluid dat je kunt waarnemen.

Akoestisch onderzoek in windtunnels en vliegkamers, vaak met kerkuilen, laat zien dat uilen wel wat laagfrequent geluid maken, vooral door het klapwieken zelf. Wat ze sterk onderdrukken, is geluid in de hogere tonen, ruwweg boven ongeveer 2 kHz. Dat is belangrijk, want daar zit een groot deel van het “zoeven” van een vogelvleugel, en het overlapt met het bereik waarin zowel uilen als veel kleine zoogdieren scherp horen.

“Geruisloos” betekent dus: heel stil in de frequenties die ertoe doen.

Waar komt vleugelgeluid vandaan?

Om te begrijpen hoe uilen stil blijven, helpt het om te weten hoe vogels geluid maken als ze vliegen. Het meeste is aerodynamisch:

• Geluid aan de voorrand. Als lucht de voorkant van een vleugel raakt, vooral als die lucht al onrustig is, ontstaan drukschommelingen die als geluid worden uitgestraald.
• Geluid aan de achterrand. Als lucht de achterkant van een vleugel verlaat, maken wervelingen die over de scherpe rand gaan een breed ruisend geluid. Dat is ook een belangrijke geluidsbron bij vliegtuigvleugels, ventilatoren en windturbines.
• Wrijvingsgeluid. Veren die langs elkaar schuren als de vleugel buigt, veroorzaken geritsel.
• Klapgeluid. Elke vleugelslag duwt lucht weg en maakt laagfrequent geluid. Sneller en harder klapwieken betekent meer geluid.

Uilen hebben op elk van deze bronnen een antwoord.

Hoe dempen uilenveren geluid?

De meeste kenmerken werden in de jaren dertig beschreven door de Britse vliegtuigingenieur en natuurliefhebber Robert Graham, die uilenvleugels bestudeerde in de hoop stillere vliegtuigen te maken. Onderzoekers verfijnen de details sindsdien.

De kam op de voorrand

Op de voorrand van de buitenste handpen, de eerste slagpen aan de voorkant van de vleugelpunt, hebben uilen een rij stijve, losstaande baarden die uitsteken als de tanden van een kam. Bij de meeste vogels is die rand glad.

De kam lijkt de lucht die over de voorrand stroomt op te breken in kleinere, zwakkere wervels en te helpen sturen hoe lucht over het vleugeloppervlak stroomt. De details worden nog in windtunnels uitgezocht, maar het totale effect is waarschijnlijk minder turbulentie en minder geluid, vooral bij grotere invalshoeken, wanneer een uil afremt of manoeuvreert.

De franje op de achterrand

De achterranden van de slagpennen van een uil eindigen in zachte, haarachtige franjes in plaats van een strakke rand. Als lucht een scherpe, stijve rand verlaat, ontstaat een plotselinge drukverandering en veel geluid. Een zachte, poreuze, buigzame rand laat de druk geleidelijker gelijk worden.

Theoretisch werk van ingenieurs in de aero-akoestiek heeft laten zien dat een poreuze en meegevende achterrand het geluid flink kan verminderen, en dat past goed bij wat uilen doen. Dit is waarschijnlijk een van de belangrijkste redenen voor hun stille vlucht.

Het fluweelachtige bovenoppervlak

De bovenkant van de slagpennen van een uil, en van veel dekveren, is bedekt met fijne, zachte, langgerekte draadjes die ze een fluweelachtig gevoel geven. Die laag doet twee dingen. Hij vermindert het geluid van veren die langs elkaar schuren als de vleugel beweegt, en hij helpt mogelijk de luchtstroom over de vleugel gladder te maken.

Voel je in een museum of een vogelopvang aan een uilenveer, dan merk je het meteen. Een duivenveer of buizerdveer voelt glad en strak; een uilenveer voelt zacht, bijna als vacht.

Zachte veren op lichaam en poten

Uilen hebben meestal ook een dicht, zacht lichaamsverenkleed, en veel soorten hebben bevederde poten en soms zelfs bevederde tenen, zoals de ransuil. Dat vermindert het geritsel van het lichaam tijdens het bewegen. Bij noordelijke uilen zoals de sneeuwuil en de laplanduil zorgt die dikke bevedering ook voor isolatie.

Hoe helpen de vleugels zelf?

Veren zijn maar de helft van het verhaal. De vorm en grootte van de vleugels van een uil zijn net zo belangrijk.

Grote vleugels voor hun gewicht

Uilen hebben grote vleugels in verhouding tot hun lichaamsgewicht, wat een lage vleugelbelasting oplevert. De kerkuil ziet er in de vlucht groot uit, maar weegt maar zo’n 250 tot 350 gram. Door de lage vleugelbelasting geeft de vleugel ook bij lage snelheid genoeg lift, zodat de uil langzaam kan vliegen, kan glijden en boven grasland kan bidden zonder voortdurend hard te klapwieken.

Langzaam vliegen is stil vliegen

Aerodynamisch geluid neemt sterk toe met de snelheid. Een langzaam vliegende uil maakt veel minder geluid dan een snel vliegende valk of duif. Uilen vliegen vaak laag en langzaam heen en weer boven weilanden en slootkanten en glijden dan in voor de laatste nadering, het stilste deel van de jacht.

Brede, afgeronde vleugels

Veel uilen hebben brede, afgeronde vleugels die geschikt zijn voor langzaam, wendbaar vliegen tussen bomen en boven open terrein. Samen met de kenmerken van de veren maakt dat de nadering van een uil zowel stil als precies.

Waarom moeten uilen geruisloos vliegen?

Er zijn twee hoofdverklaringen, en ze sluiten elkaar niet uit.

De stealthverklaring

Het voor de hand liggende antwoord is dat uilen stil vliegen zodat hun prooi ze niet hoort aankomen. Muizen, woelmuizen en veel andere kleine zoogdieren horen uitstekend, ook in de hoge tonen. Een uil die luidruchtig aan komt vliegen, verliest het verrassingselement.

De zelfmaskeringsverklaring

Het tweede antwoord is dat uilen stil vliegen zodat ze hun prooi kunnen blijven horen. Veel uilen, vooral de kerkuil, vinden prooi grotendeels op het gehoor en passen hun nadering in de lucht nog aan als een veldmuis onder het gras beweegt. Als de eigen vleugels van de uil lawaai maakten, zou dat het geritsel overstemmen waar hij naar luistert.

Verschillende onderzoekers denken dat deze tweede verklaring extra belangrijk is. Uilen dempen geluid het sterkst in het frequentiebereik waar hun eigen gehoor het best is, en dat past bij het idee dat stil vliegen deels is ontstaan om het eigen luisteren te beschermen. Ons artikel over of vogels oren hebben legt uit hoe uilen geluid precies lokaliseren, en hoe uilen hun kop zo ver kunnen draaien laat zien hoe ze dat geluidsvangende gezicht richten.

In de praktijk werken beide voordelen waarschijnlijk samen. Een uil die beter hoort en minder gehoord wordt, heeft een dubbel voordeel.

Vliegen alle uilen geruisloos?

De meeste uilen vliegen stil, maar de kenmerken verschillen met de manier van jagen.

• Visuilen. Uilen die vooral vis eten, zoals de visuilen van Azië, waaronder de Blakistons visuil, en de visuilen van Afrika, hebben minder of geen kam, franje en fluweel. Vissen onder water horen de vleugels van een uil slecht, en deze uilen jagen meer op zicht, dus stil vliegen levert ze weinig op.
• Uilen die overdag actief zijn. Soorten die deels overdag jagen en meer op hun ogen vertrouwen, zoals de sperweruil, worden vaak beschreven als minder sterk uitgerust met geluiddempende kenmerken dan strikt nachtelijke jagers. Ook de steenuil, die vaak in de schemering en soms overdag actief is en veel insecten en wormen eet, is minder extreem gespecialiseerd dan de kerkuil.
• Nachtelijke jagers op het gehoor. Kerkuil, ransuil, bosuil en laplanduil horen bij de meest gespecialiseerde soorten, die sterk op hun gehoor vertrouwen om prooi te vinden.

Dat patroon, met de sterkste kenmerken bij uilen die op het gehoor jagen, is sterk bewijs dat stil vliegen een aanpassing is die samenhangt met jagen op geluid.

Hoe meten onderzoekers het vlieggeluid van uilen?

Het geluid van vogelvleugels meten is lastiger dan het klinkt, want het geluid is zwak en de vogel beweegt. Onderzoekers gebruiken verschillende methoden:

1. Vliegkamers met rijen microfoons. Getrainde uilen vliegen langs of door rijen gevoelige microfoons in stille ruimtes, en de opnames worden vergeleken met die van andere vogels, zoals haviken of duiven, die met vergelijkbare snelheid vliegen.
2. Windtunnels. Losse veren of hele geprepareerde vleugels worden in een windtunnel gemonteerd, en ingenieurs meten geluid en luchtstroom bij verschillende snelheden en hoeken. Door de kam of franje weg te halen of in te korten, zie je hoeveel elk kenmerk bijdraagt.
3. Zichtbaar maken van de luchtstroom. Rook, lasers en het volgen van deeltjes laten zien hoe lucht over het veeroppervlak en langs de randen stroomt.
4. Wiskundige modellen. Aero-akoestische theorie voorspelt hoe poreuze, buigzame randen het geluid zouden moeten veranderen, en die voorspellingen worden vergeleken met metingen aan uilen.

De resultaten verschillen per methode en soort, en niet elk onderzoek is het eens over welk kenmerk het belangrijkst is. Het grote beeld is wel consistent: uilenvleugels maken duidelijk minder hoogfrequent geluid dan vergelijkbare vleugels van andere vogels, en de kenmerken van de veren samen met het langzame vliegen verklaren het grootste deel van dat verschil.

Waarom vliegen haviken en valken niet ook geruisloos?

Haviken, arenden en valken zijn ook roofvogels, dus waarom hebben zij niet dezelfde stille vleugels? Het antwoord lijkt te zijn dat ze anders jagen.

De meeste roofvogels die overdag jagen, vinden prooi op zicht en vertrouwen op snelheid, verrassing vanuit dekking of een steile duik. Een slechtvalk die op een duif stoot, gaat zo snel dat geluid er weinig toe doet; de prooi heeft bijna geen tijd om te reageren. Een sperwer die om een heg heen schiet, vertrouwt op verrassing en wendbaarheid. Stille veren zouden bovendien een prijs hebben: ze zijn meestal zachter, minder waterafstotend en mogelijk minder slijtvast, en dat is een slechte ruil voor een vogel die snel en hard vliegt.

Uilen vliegen juist langzaam, vaak in het donker, en veel soorten vinden hun prooi op het gehoor. Voor hen wegen de voordelen van stilte zwaarder dan de nadelen. Meer over hoe snelle roofvogels jagen, lees je in wat is de snelste vogel.

Zijn er andere stille vliegers?

Uilen zijn de bekendste, maar niet de enige. Nachtzwaluwen, zoals de nachtzwaluw die op Nederlandse en Belgische heidevelden broedt, kikkerbekken en enkele andere nachtvogels hebben zacht verenkleed en een relatief stille vlucht, al zijn ze meestal minder gespecialiseerd dan uilen.

Aan de andere kant van het spectrum maken sommige vogels juist bewust geluid met hun vleugels. De houtduif klapt in zijn baltsvlucht hoorbaar met zijn vleugels en vliegt bij schrik met veel geklapper op. De Australische kuifduif heeft een aangepaste slagpen die een kenmerkend geluid maakt als hij geschrokken opvliegt, en onderzoek heeft laten zien dat andere duiven dat geluid als waarschuwing opvatten. Het mekkeren van de watersnip in de baltsvlucht komt van trillende staartpennen. Stil vliegen is dus het ene uiterste van een breed spectrum.

Heeft stil vliegen ook een nadeel?

Ja. De zachte, open structuur die geluid dempt, maakt uilenveren minder waterafstotend dan die van veel andere vogels. Vooral kerkuilen hebben het naar verluidt moeilijk bij het jagen in zware regen, en langdurig nat weer kan hun jachtsucces en conditie verlagen. Strenge winters met veel sneeuw zijn voor kerkuilen in Nederland en België bekend als moeilijke perioden. Dat is misschien een van de redenen dat kerkuilen vaak rusten en jagen vanuit beschutte plekken zoals schuren, kerktorens en holle bomen.

Zachte veren slijten mogelijk ook sneller. Zoals alle vogels vervangen uilen hun veren via de rui, zoals uitgelegd in waarom vogels ruien.

Hoe heeft de uilenvlucht techniek geïnspireerd?

Uilenvleugels zijn een klassiek voorbeeld van biomimicry: ontwerpen die de natuur als voorbeeld nemen.

• Hogesnelheidstreinen. Ingenieurs van JR West ontwierpen de stroomafnemer van de Shinkansen 500-serie, de arm die elektriciteit van de bovenleiding haalt, met tandjes geïnspireerd op uilenveren, om aerodynamisch geluid bij hoge snelheid te verminderen.
• Windturbines. Getande achterranden, in principe vergelijkbaar met de franje van de uil, worden nu veel gebruikt op turbinebladen om geluid te verminderen.
• Ventilatoren en vliegtuigen. Onderzoekers hebben randen en poreuze oppervlakken naar voorbeeld van de uil getest op computerventilatoren, ventilatiesystemen, droneschroeven en vliegtuigonderdelen.

Niet elk ontwerp kopieert een uil direct, en veel technische oplossingen werken in detail anders, maar uilenvleugels hebben wel de weg gewezen.

Fabels en feiten over de stille vlucht van uilen

Wat betekent dit voor vogelaars in de tuin?

• Je hoort een uil misschien nooit langs vliegen. Veel mensen ontdekken uilen in hun buurt pas door roep in de nacht, of door braakballen en witte poep onder een roestplek.
• Luister in plaats van te kijken. Uilen zijn makkelijker te vinden aan hun roep. Het bekende “hoe-hoe-hoeoe” van de bosuil hoor je in veel parken en bosrijke wijken. Ons artikel over waarom vogels ‘s nachts fluiten en vogels leren herkennen aan hun geluid kunnen helpen.
• Zoek in de schemering boven open terrein. Kerkuilen die jagen boven weilanden, bermen en slootkanten horen bij de uilen die je het makkelijkst in de vlucht kunt bekijken.
• Help uilen in de buurt. Een kerkuilenkast in een schuur of een steenuilkast in een boomgaard kan helpen, bij voorkeur in overleg met een lokale uilenwerkgroep.
• Houd afstand. Uilen die jagen of rusten bij huizen worden makkelijk verstoord. Volg goede gedragsregels voor vogelaars.

Snelle feiten over de vlucht van uilen

• Uilen vliegen veel stiller dan andere vogels van hetzelfde formaat.
• Een kam van tandjes op de voorrand van de buitenste handpen breekt de luchtstroom op.
• Zachte franjes aan de achterranden verminderen geluid aan de achterrand.
• Fluweelachtige veeroppervlakken dempen wrijvingsgeluid.
• Grote, lichte vleugels laten uilen langzaam vliegen en glijden.
• Uilen dempen geluid het sterkst boven ongeveer 2 kHz.
• Stil vliegen helpt uilen om niet gehoord te worden en om prooi te horen.
• Visuilen hebben minder geluiddempende kenmerken.
• Ontwerpen naar voorbeeld van de uil worden gebruikt op treinen, ventilatoren en turbinebladen.

Bronnen

• Cornell Lab of Ornithology: All About Birds, Barn Owl species account
• RSPB: Barn Owl species information
• Vogelbescherming Nederland: Kerkuil
• Natuurpunt
• Graham, R. R. (1934). The silent flight of owls. Journal of the Royal Aeronautical Society 38: 837-843.
• Jaworski, J. W. and Peake, N. (2013). Aerodynamic noise from a poroelastic edge with implications for the silent flight of owls. Journal of Fluid Mechanics 723: 456-479.