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鸟为什么能飞起来?
上传时间:2020-10-22 22:40点击:


▲飞起的鸟。

图/Rawpixel

 

鸟先“征服”天空,人类随后跟上

鸟为什么能飞,这个问题还不好回答么?因为它有翅膀啊! 那为什么鸟有了翅膀就能飞呢?光有翅膀它就能飞么?这些问题,回答起来可不是那么简单。

 

 


 

飞和起飞,是两码事

 

先说说鸟飞翔的原理吧。

 从侧面看过去,你会发现鸟类翅膀上面的弯曲程度要大于下面,弯曲的翼形能加速空气的流动,让气压减小,所以鸟类翅膀上方的气压要小于下方,它就这样被空气托起来了。

▲ 机翼附近的空气流动图。

图/Wikipedia

 可是,你想过没有,弯曲的结构为什么会加速空气的流动? 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/《Erythropoieticbonemarrowinthepigeon》KarstenSchepelmann,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,这样就可以附着更多的肌肉,这里强健的胸肌(负责向下扇翅膀)和喙上肌(负责向上回翅膀),重量能够占到全部体重的30%以上。



▲鸟类的骨骼剖面图,以及胸肌和喙上肌。

图/Wikipedia

 高效的飞行,不仅需要减重,还需要增加动力,呼吸系统和循环系统,是鸟类的发动机,它们的这两个系统,都要比人类强大很多

 人在吸气时只呼入新鲜空气,呼气时只排出废气,但鸟却通过增加前后气囊,实现了在吸气、呼气时都有新鲜空气可用

在鸟吸气时,会有一半气体会直接进入后气囊存起来,另一半则在肺部交换后排入前气囊,当它在呼气时,后气囊的新鲜空气则会进入肺部交换,再和前气囊的废气一起排出。


 


 

▲鸟吸气和呼气时肺部和前后气囊中空气的流动方向。

图/Wikipedia

 人的肺部,既要交换气体,还要储存气体,这意味人的肺里总会残留废气,这些废气和新呼入的气体融合,让整体的氧含量降低。

鸟肺只交换气体,储存气体的工作交给了气囊,所以它的肺,每次都能用到不折不扣的新鲜空气

 鸟的肺,不像人的肺那样长有死胡同般的肺泡,它的肺里全是连通的、细小的管道,空气在其中流动畅通无阻,这些细小管道的表面积很大,鸟类平均每克体重对应的肺部气体交换面积有200平方厘米,而哺乳动物只有15平方厘米。



▲大海上的翱翔的海鸥。

图/Wikipedia

 鸟的横膈膜不发达,只能依靠肋骨膨胀胸腔来完成呼吸,但它每上下扇动一回翅膀,恰好就拉动肋骨被动地完成了一次呼吸,一切都来的那么自然。

 吸够了气,还需要一个强大的循环系统来把氧气送给各个细胞。

我们最为常见的鸽子,心脏的重量可以占到总体重的1.7%以上,而人类只有0.42%,鸟中少有的能够悬停的蜂鸟,这个比例高达2.3%,而且心脏每分钟能跳动600多次。



▲快速煽动翅膀的蜂鸟。

图/Wikipedia

 鸟把一切几乎都做到了极致,才能展翅高飞

达芬奇想通过模拟鸟的造型,让自己也飞起来,但直到莱特兄弟为木头做的飞行器装上了喝汽油的钢铁之心后,我们才最终脱离了地心引力,和鸟一同飞上了蓝天。

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