回忆一下漂流时的经历:是不是河道窄的时候河水流速快,河道宽的时候就是流速慢?空气就像河道里的水, 弯曲程度越高,相当“河道”越窄,气流的速度自然就变快了。
▲ 一只煽动翅膀的北极海鹦,能够隐约看出来翅膀上侧的弧度。图/Rawpixel
那为什么速度变快,压强就会变小呢?流速快,可并不代表空气量就少了。
这就要提到流体动力学的伯努利原理了,这个原理指出: 流体的速度越快,压强越小。举个例子来说,两张纸放在嘴边,对着两张纸的中间吹气,两张纸不会分开,反而会靠拢,这就是吹出来的风让压力变小了。
▲ 一张伯努利方程的实验图,在同等通风量的情况下,气道宽的地方风速小,气压更大(水面低)。图/Wikipedia
飞机的机翼,与鸟类的翅膀构造相似,所以飞机也能在空中飞行。不过,你有没有注意到一个问题:那就是除了直升机和一些能够垂直起降的喷气战斗机, 飞机在起飞前都要“助跑”才能飞起来,这是为什么呢?
▲ 航空母舰通过弹射装置缩短飞机的起飞距离。图/Wikipedia
这是因为在伯努利方程中, 上下压强的差值基本上是等于速度平方的差值(再乘上一些常量),我们假设翅膀上面的弯曲凸起可以让风速加快1倍,在速度是1的时候,上下平方的差值只有3,但在速度是10的时候,上下平方的差可高达300,所以, 只要速度够快,钢铁做的飞机也能被空气顶上天。
▲ 被空气“顶上天”的鸟。图/Rawpixel
和飞机一样,鸟在起飞前,速度为0,就是张开翅膀也不可能凭空浮起来。 在空中可以靠空气浮力,但想起飞?必须全靠自己。
鸟在起飞时候,第一要向上离地获得高度,第二要向前加速加大浮力。 鸟靠拍打翅膀就可以同时获得向前和向上的推力,完成这两个任务。
▲ 一只正在起飞的绿头鸭。图/Wikipedia
对于一些小鸟来说,它们用脚一蹬,翅膀一抖就可以飞起来了,但很多体型很大的禽类,必须边助跑边煽动翅膀,才能起飞。还有一些鸟,比如雨燕,虽然善长飞行,但它的脚退化得只能攀附在立面上,不能走路也不能跳跃,所以只能 停在高处,靠重力让自己获得初始速度。
▲ 在飞行的普通雨燕。图/Wikipedia
鸟在飞起来后,如果没有上升气流的帮助,还是要自己扇动翅膀,来继续向前加速,向上飞行,否则只能越飞越低。
不一样的翅膀,不一样的飞翔
同样是鸟,因为翅膀结构不同,飞行能力也千差万别,人类仿照不同翅膀的特点,制作出了不同特性的飞行器。
信天翁的翅膀,特点是“细、长、直”(这听上去似乎不是在描述鸟的翅膀),这种翅膀可以 尽可能多地利用空气动力,它们在天空飞翔时,只有10%的所需能量来自于自己。
▲ 海上飞翔的信天翁。图/Wikipedia
当然,这种翅膀也有自己的 短板,它能鼓动的风量小,起飞、降落、转向、加减速都比较困难,所以信天翁与其说是在飞行,不如说是在“享受随风逐流”,佛系的很。
“阳光动力2号”是一架以太阳能为动力的滑翔机,它就模仿了信天翁的翅膀模式——翼展长达72米,堪比波音747-800型客机,但驾驶舱却只有3.8立方米的空间,这样的结构,可以最大程度地省力、节电,以完成 长距离飞行。2016年7月26日,它曾完成了人类首次太阳能环球飞行壮举。
▲ 阳光动力2号。图/Wikipedia
燕子会边飞,边捕捉另一种飞行大师——昆虫,所以它的 飞行技巧极高,它短而头尖的翅膀,可以帮它完成急停、垂直上蹿、180度大急转等高难度动作。燕子的 飞行速度也很快,一种叫做白喉针尾雨燕的燕子,时速可达到170千米,也就是百米赛跑只需2秒多就“跑”完了。
▲ 白喉针尾雨燕。图/Wikipedia
世界上最早的一款喷气式战斗机 梅塞施密特262,代号就叫“燕子”,俄罗斯空军大名鼎鼎的 米格-29特技飞行表演队,名字叫“雨燕”,给它们起名字的人,或许都希望这些飞机能像燕子一样灵活、高速吧。
▲ 飞行中的梅塞施密特262。图/Wikipedia
老鹰的翅膀大、肥、宽、圆,边缘的羽毛间可以明显看到缝隙(翼指),它们既能像信天翁那样在高空盘旋,寻找猎物,还能折起翅膀,向下俯冲,而且,如此肥厚的翅膀,让它抓住猎物后依然能获得足够的升力飞上高空。
▲ 鹰类翅膀示意。图/Wikipedia
人类的飞行器中,最接近老鹰翅膀的莫过于波音787 “梦想客机”的机翼了,同时,NASA也在研制了一种机翼能够向后折30度的飞机,以模仿老鹰俯冲时的模样。
▲ 波音787客机。图/Wikipedia
光有翅膀,还不够
已经有1.5亿年历史的鸟类家族, 包括翅膀在内,几乎身体的每个部位,都与飞翔有着关系。
身体越轻,飞翔所需要的能量就越少,像 知更鸟,体重和一个空易拉罐一样。中空的骨架被也认为是鸟类身体轻盈的秘诀。在许多书里都写到:人类的骨骼中充满骨髓,而鸟类的骨骼中却充盈着空气,但这么说其实并不严谨。
▲ 知更鸟,一种漂亮,灵动的小鸟。图/Wikipedia
试想一下,如果鸟类的骨骼里没有骨髓,那它的血是从哪里来的?要知道,造血干细胞都在骨髓里啊。所以 实际情况是,鸟只有部分的骨骼是中空的,但有些骨头也和人一样,是有骨髓的,不信你切开个鸡大腿看看,里面是不是有骨髓?
▲ 鸽子骨架示意,填充了的骨头是有骨髓的。图/《Erythropoietic bone marrow in the pigeon》Karsten Schepelmann, 1990
鸟类的骨骼虽然轻到只占体重的5%,但并不是所有地方都“减配”了。比如, 它的腿骨就很强壮,这既有助于承受每次降落时带来的冲击力,也让它们在面对捕食者时可以迅速跃起,起飞逃跑。
而且, 鸟类的胸骨也异常发达,这样就可以附着