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6165金沙总站:戴上护目镜的鹦鹉萌翻了,字形更

2019-10-12 21:44

鸟飞“人”字形更省力

2016-03-04 16:32:21by 舒克群鸟飞成人字型这种情况大多数人应该都看到过,那么为什么鸟类一起飞行时喜欢组成一个“人”字的造型呢。之前对于这个问题一直没有一个明确的答案,后来14只装备了超轻感应器的隐鹮从奥地利飞越近千公里抵达意大利的托斯卡尼,在它们的帮助下研究者认为,正确的解释真的是人们长久以来一直这么觉得但始终没有完全证明的那个理由:人字形帮助鸟类节省能量。

6165金沙总站 1 鸟群呈人字飞行可能是这样更省力

群鸟飞成人字型这种情况大多数人应该都看到过,那么为什么鸟类一起飞行时喜欢组成一个“人”字的造型呢。之前对于这个问题一直没有一个明确的答案,后来14只装备了超轻感应器的隐鹮从奥地利飞越近千公里抵达意大利的托斯卡尼,在它们的帮助下研究者认为,正确的解释真的是人们长久以来一直这么觉得但始终没有完全证明的那个理由:人字形帮助鸟类节省能量。

这项研究关注的是隐鹮,但专家认为它也适用于别的飞人字形的鸟类,比如鹅、鸭子和鹈鹕。这些隐鹮出生在维也纳动物园,它们是一项保育计划的一部分——该计划的目的是把这种极危的鸟类重新引入它在欧洲的天然分布区。

研究的几位作者也是这些隐鹮的养父母,带它们在奥地利萨尔茨堡做飞行训练。人类坐在伞翼机(一种轻型飞机,看起来像沙滩车上挂着一个降落伞)里飞行,鸟儿就跟着飞。“随着飞行训练的进行,它们的人字阵列明显越来越好了。”论文作者之一、皇家兽医大学博士后斯蒂芬·波秋歌(Steven J. Portugal)说。

最终,在“养父母”的教导下鸟儿踏上一千公里的迁徙之路,从萨尔茨堡飞到意大利的奥尔贝泰洛。鸟儿身上带着定制的数据记录仪,允许研究者跟踪振翅状况、速度和方向。仪器重量不到30g,却包括加速度仪、陀螺仪、磁力计、记忆卡、电池、微控制器还有GPS(“比我们手机上那个GPS要强得多”,乌舍伍德说)。这个GPS可以精确到30厘米,每秒钟刷新5次——要想探测到鸟儿之间的相互位置,就得有这么高的精度。

研究者分析了鸟类在7分钟飞行中的位置,比较了这些观测数据和空气动力学模型的理论预期。肯尼·布鲁尔(Kenny Breuer),布朗大学工程学教授和演化与生态教授,和他的同事戴维·威利斯(David Willis)等人一同计算出了这些预期。当翅膀向下推动空气,产生升力的时候,其它空气会向翅膀两侧升起、形成涡旋。飞机机翼也会产生类似涡旋,有时会留下可见的痕迹。

但是鸟类飞行扰动的气流远比飞机复杂许多。“这些尖端涡旋的力量随着振翼的阶段不同而变化”,布鲁尔博士说,“要想充分利用队长的气流,你要飞在最合适的位置上,而且在最恰当的时机振翅。”

对24000次振翅进行分析的结果表明,隐鹮能够调整它们的位置和振翅相位来从涡旋中获取最大的升力,当它们在阵列中交换位置之后还会重新调节。这项新研究没有说明这些动作到底能省下多少能量,不过在长途迁徙中哪怕是很小的能量节约,对于鸟儿来说也是非常重要的。

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“秋天到了,天气凉了,一行大雁往南飞,一会儿排成'人'字形,一会儿排成'一'字形。”秋天一凉,你的耳畔,可曾隐约响起小学语文课堂里那富有磁性的录音?

(井木犴/译)护目镜系牢,下颏带扣紧。环境条件平稳,激光就绪;空气中充满了微小的气溶胶颗粒,即使是极轻微的扰动,也会让它们分散形成轨迹。万事俱备,只等命令。

如今,人类虽然已经造出了飞机、火箭、飞船、航天飞机,但几千年来像鸟儿一样展开双翅,在蓝天中自由翱翔的向往却丝毫未衰。

不过,对于大雁,最直接的疑问必然是,大雁南飞为啥非要排成“人”字形或者“一”字形,而不是N形和B形,或者其他更具想象力的阵型呢?

研究者一声令下,小鸟起飞了!

千百次实践都已经证实,要求人类凭借自己的身体像鸟一样飞是万万办不到的。无论怎样用力地扇动双臂,都不能飞离地面。

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6165金沙总站 3帅气的太平洋鹦哥带着护目镜飞行。图片来源: Lentink Lab

难道仅仅是在于人类缺乏一对翅膀吗?不完全是。如果把野雉的体形按比例放大到像人一样,它也会像石头一样笔直地掉到地上。假如像西方神话中的伊卡洛斯一样给一名孩子粘上一对翅膀,翅膀的长等于身高,宽等于身高的四分之一。那么,这位新伊卡洛斯的双臂必须发出1.5马力的功率,约等于成年人最大持续功率的4倍。

【雪雁(Anser caerulescens)组成一字形和人字形编队飞行,会有多少人误认为,“一”字形是并排或是排成一支队伍的形式......图片来自flickr.com】

这就是一只名叫奥比(Obi)的太平洋鹦哥(Forpus coelestis)的日常。

体重、外形和功率在飞行中都起着一定的作用。任何生物想要飞行,首先要有一个足以抵消其体重的外力。这个外力是由空气提供的。在地球海平面高度,空气对任何物体的各个方向都有一个压强为1公斤/平方厘米的压力。为了获得升力,生物必须设法减小空气对它顶部的压力,以得到一个由下往上的净压力。

 

研究生埃里克·古铁雷斯(Eric Gutierrez)与斯坦福大学的机械工程师大卫·伦廷克(David Lentink)一起训练了这个小家伙——它属于鹦鹉中体型第二小的物种——以精确测量其在飞行中产生的涡流。他们的研究结果[1]上周发表《生物灵感和仿生学》期刊(Bioinspiration and Biomimetics)上,该结果帮助解释了动物如何在飞行中产生足够的升力,对飞行机器人和无人机的设计也可能具有指导意义。

鸟儿和飞机都是依靠适当形状的翅膀在向前运动中获得外力的。飞鸟弯曲而后掠的翼尖使得从上面流过的空气要比下面的速度更快些,从而形成了一个向上的净压力。压力的大小与空气密度成正比,同时还与前进速度的平方成正比。没有运动,就没有升力;没有空气,鸟儿也不能飞行。

人字形编队,省体力?

在现有的大雁人字形编队说法中,“节省体力”的解释流传最广。事实上,这个解释还停留在假说阶段。目前为止,科学家还没有确凿的证据来支持它。

很早以前,人类就已经开始观察到,大型鸟类通常选择人字形或者一字形的线形阵,而小形鸟类则往往聚成一团。不过,对大型鸟类编队飞行奥秘的科学探索,还要追溯到二十世纪初莱特兄弟刚刚开启航空时代的岁月。1914年,德国的空气动力学家卡尔•魏斯伯格(Carl Wieselsberger)经过简单计算后首次提出大雁飞人字形可以节省能量这一假说。他认为,大雁翅膀扇动会引发尾流的涡旋,而涡旋的外侧正好是向上的气流。如果相邻的大雁刚好处在上升气漩里,那么他们的飞行就会大大省力。

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【选取俯视或正视角,可以看到鸟儿扇动翅膀形成的气流产生一个水平的气漩,有上升也有下降,后来者如果位于上升气漩中,那就能够借助这股抬升力飞行了。图片来自lifeomics.com】

 

这个假说从诞生那天起,就受到了鸟类学家的欢迎,但是真正对它定量计算却是在几十年以后。1970年,里萨满(Lissaman)和斯科伦伯格(Schollenberger)利用日臻成熟的空气动力学理论首次给出了一个估算。他们发现,与单个大雁相比,一个由25只大雁组成的人字形编队可以多飞71%的航程。他们还得出,最佳的人字形夹角为120度。这个研究结果是如此的激动人心,以至于如今的成功学和领导学教材上已经充斥这个结论,用来说明领导是多么伟大,而团队工作是多么有效率。

难道说,大雁组队飞行Pose摆法的问题就要这样盖棺定论了?

且慢!在里萨满和斯科伦伯格的研究中,他们并未给出具体的计算公式和计算过程。而他们采用的模形也过于简化:先是假设这些鸟不扇动翅膀,而是像固定翼飞机一样僵硬;同时也没有考虑光滑的机翼和毛茸茸的翅膀之间的区别。此后,一批更深入的理论研究证明,大雁编队飞行的能量利用率远没有文章中提到的那样高。不管此类工作如何细致,模型如何复杂,严谨的科学家们还是批评这些理论计算过于理想化。光凭理论计算,似乎无法博得人们的青睐。

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【固定翼飞机的尾流里,外侧的确是上升气流,不过鸟儿们飞行时候的气流模型,可就复杂多了。图片来自sciencebuddies.org】

 

“我们的研究目的是对文献中常用的几种基于飞行尾迹来计算鸟类或者其他飞行动物产生的升力的模型进行比较。” 研究的共同作者、伦廷克课题组的研究生戴安娜·秦(Diana Chin)说。“我们发现我们所测试的三种模型都非常不准确,因为它们所做的假设并不一定正确。”

要飞行除了要有速度,要有空气,还要有足够的翼面积。例如,每小时56公里的飞行速度可以获得每平方厘米约0.07公斤力的外力。翼展面积达到3000平方厘米,总共就可以获得2公斤的升力,足够托起一只一般的鸟了。假如前进的速度再增加,那么,只要较小的翼面积就能获得同等的升力;反之也一样。实际上,鸟类也根据它们的需要各有选择。例如,大蓝苍鹭为了涉水,长了一双又细又长的腿。为了在着陆时不致于将这双长腿折断,它必须飞得很慢。为此,苍鹭双翅的面积相对来说就比较大。另一方面,野雉需要在下层林木中作机动飞行,翅膀太大诸多不便。为了用它的那对小而且短的翅膀将自己保持在空中不掉下来,野雉飞得很快。我们可以比较一下有关的数据:大蓝苍鹭平均重3公斤,翼面积约0.5平方米;野雉的体重与翼面积之比是苍鹭的3倍,而它的飞行速度达每小时80公里,是苍鹭的2倍多。飞行跟其他物理动作一样要消耗能量。在没有摩擦力的情况下,一只处于水平飞行状态的鸟可以不费一丝力气无限期滑翔下去。但在实际上,由于空气阻力的存在,鸟儿在飞行中必定要拍打翅膀,消耗能量。根据空气动力学的分析,飞行中的阻力大约是升力的二十分之一。为了抵消阻力,一头苍鹭在飞行时必须以五十分之一马力的功率不断消耗能量,扇起团团气旋。同样外形的鸟,体重越重,必须为每公斤体重付出的功率就越大。如果将一只鸟向各个方向的尺寸都增加3倍,形状保持不变,它的体重和体积将增加到64倍,而飞行需要的功率则将增加到128倍。扭转这种趋势的唯一办法只有改变外形。例如,假如鸟的体形和体重都保持不变,只有翼面积增加到4倍,那么,它只要有一半的功率就可以飞了。在长途迁徙飞行中,许多鸟可以利用前面鸟扇动翅膀造成的上升气流节约一点能量。但在单独飞行的时候,体重和体形决定着飞行所需要的功率。

省力与否,假说VS实证

理论计算行不通,科学家们开始另辟蹊径,研究实地观测数据中人字形夹角的度数。他们认为,如果空气动力学优势是大雁选择人字形或者一字形的唯一理由的话,那么大雁在大多数时间都应该保证人字形的夹角处于最佳或者某一个固定的数字附近,而且要避免飞成一字形,因为对称的尾迹里,一边的上升气流就会被浪费掉。但是,现实再一次无情的打击了这一假设。雷达和光学跟踪研究发现,大型鸟类飞行的人字形夹角在24度到122度范围内诡谲多变,而且飞行中还会大幅度变换角度。最让人费解的是,只有20%的飞行时间里,他们才会选择人字形,而大多数时候一字长蛇阵更受欢迎。

【从大雁迁徙的视频中,可以看到它们的飞行阵型变化之复杂。】

 

近十年来,新的技术革命又大大加深了我们对鸟类编队飞行现象的认识。这一次,无人机控制领域的专家们跑过来凑热闹了。随着全球鹰和捕食者无人机的大量应用,控制学领域开始关注飞行器的自动导航和操纵问题了。在组队飞行过程中,大型鸟类频繁和大角度的调整飞行,还不断更换领队鸟和跟从鸟之间的相对距离却不发生碰撞。赛勒等人在研究了大型鸟类飞行的观测记录后发现,从控制学上说,这些行为的并存几乎是不可能完成的任务。不过,他们也没有把这条路完全堵死:如果编队里的成员,每一个都以领队为基准来调整自己,且编队足够小的话,这个任务还有那么一丁点完成的可能。

到目前为止,最靠谱的人字形编队具有空气动力学优势的证据恐怕就是来自维莫斯克奇(Weimerskirch)等人的实验。他们将八只白鹈鹕训练成自家摩托艇的粉丝,这些白鹈鹕只要看到摩托艇就会屁颠屁颠跟着傻飞。通过测量鹈鹕们飞行时的心律,研究者发现,白鹈鹕飞人字形时心率比单飞时低11%-15%,因此他们得出鸟类飞人字形节省能量的推断。但也有批评者跳出来反驳说,群居的动物往往比孤独的动物心率要低。

总而言之,对于飞人字形究竟能否节省大雁长途奔袭中的体力这个问题,目前的确还不能下明确结论。也许,要找到这个问题的最终答案,唯一方法就是去训练一队风洞里的大鸟。通过它们在风洞里飞行的力学数据,才可能判断编队飞行究竟有没有节省体力。

6165金沙总站 6戴安娜和她的实验“助手”——太平洋鹦哥。图片来源: Kurt Hickman

科学家发现,如果以同样的重量相比,活的生物体发出有用功的效率远比内燃机低得多,人所能输出的最大机械功只及等重内燃机的二百分之一。当年莱特兄弟制造的第一架飞机上发动机的输出功率是12马力。生物体要想获得同样的输出功率,得有一头大象来帮忙才行。

鸟类编队飞行研究,才刚上路呢

虽然科学家们尚不能证明人字形和一字形编队能够节省长途飞行的体力,但是这种编队形式的其他好处已经被证实了。鸟类学家发现,加拿大大雁的眼睛分布在头的两侧,各自可以覆盖从正前方往后的128度角的范围。这与这些大雁编队飞行的极限角度相一致。换句话说,每一个在编队里飞行的大雁都能看到领队鸟,而领队鸟也可以看见全部的编队成员。因此,这些鸟类选择人字形和一字形至少有一个确定的理由:在编队飞行中,每一只鸟都能看见整个编队,从而能够更好地进行相互交流或者自我调整。

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【大天鹅编队在北京城郊外优雅的飞过,想欣赏鸟儿们迁徙时的姿态?请看《一起去看:野鸭湖,又是一年迁徙季》6165金沙总站:戴上护目镜的鹦鹉萌翻了,字形更省力。 摄影 令狐兔妖】

 

鸟类编队飞行的现象虽然常见,但却非常不容易进行研究。继生物学家最早介入这一领域后,航空工程师、数学家、乃至物理学家们也都逐渐参与进来,各抒己见,包括“鸟类人字形编队源于静电场”这样更加大胆的假说,也有了亮相的机会。事实上,任何人都可以提出自己的假设,只要经得起科学实验和实地观测的验证,假说就有机会得到广泛的认可!

 

参考资料:

[1] Why Do Birds Fly in a V-formation?
[2] The Spring Geese Are Flying North
[3] I Lebar Bajec, F.H. Heppner / Animal Behaviour 78 (2009) 777-789

科学家们建立这些模型来分析会飞的动物所产生的气流,并依靠它们来弄清楚动物如何在飞行中支撑自身的体重。这些模型的计算结果常常会被仿生飞行机器人和无人机的研究所参考。仿生机器人正是伦廷克的专长——他的学生们制造出了第一台能够像昆虫一样垂直起降的拍翅式机器人以及一台翅膀能在俯冲及滑翔过程中变形的雨燕型机器人。

6165金沙总站,不过,生物的身体越小,输出功率有限的问题也越小。与大动物相比,动物的体重越轻,每公斤体重所具有的功率就越大。一匹体重400公斤的马能发出一马力的功率。如果以此为标准,逐步减少动物的体重,我们发现,体重每减少50%,能够输出的功率只减少40%。当减到30克以下时,你会发现,4000只老鼠的总功率是人的9倍,尽管两者的重量相等。

鸟戴护目镜,因为它要飞过激光

这项研究的第一作者古铁雷斯之前也是伦廷克课题组研究生。他利用给人使用的激光护目镜镜片、3D打印的镜框以及医用胶带给为太平洋鹦哥制作了符合它尺寸的护目镜。护目镜的一侧还装有反光标记,让研究者们能够追踪小鸟的速度。之后,他训练奥比戴着护目镜在栖木间飞行。

6165金沙总站 8实验装置示意图。绿色部分为激光层,小鸟穿过激光层时,其中的气溶胶微粒的运动轨迹会被记录下来。图片来源:参考文献[1]

经过训练后,这只小鸟飞过了一片照亮无毒气溶胶颗粒的激光层。当它飞过这片充满颗粒的激光层时,它翅膀的运动搅动了颗粒,由飞行产生的涡旋详细记录下来。

在奥比的翅尖下打旋的那些颗粒,形成了迄今最清晰的飞行动物尾迹图像。过去的测量常在动物翅膀扑棱几次之后才进行,并预测由动物产生的涡流会像飞机的航迹云一样,相对稳定一段时间后才消散。但这项研究的测量结果揭示,鸟类产生的端部涡旋会戏剧性地突然解体。

6165金沙总站 9在太平洋鹦哥飞行过程中搅动气溶胶颗粒产生的涡旋。图片来源:Lentink Lab

“飞行器产生的涡旋在其之后很远——比如一千米开外——才会发生解体,而鸟类的涡旋解体则发生在非常贴近鸟身的位置,在扑棱翅膀两到三次之内就会发生,解体也剧烈得多。”论文的主要作者伦廷克说。

人作功的能力不如老鼠,这种计算结果颇令人尴尬,但并不奇怪。与大多数发动机和机器不同,动物体内肌肉发出的热比有用功还多,这些热量如果不能及时散发,就会使体温迅速升高到生物无法忍受的地步。由于热量的散发一般是通过表皮来实现的,因而生物产生的热量和机械功大致与其体表面积成正比。这样,功率比体重就成了体表面积比体积。小物体的表面积与体积之比大于物体的相应比值,这个简单的数学知识说明了生物体小比大效率高的原因。这样,随着体重的增长,飞行所需功率的增长比起生物本身所能提供功率的增长要快得多。除非生物的体形发生明显的变化,否则,体重轻的动物显然在飞行方面占有优势。尽管鸟类已经有了一万年的飞行史,但真正能飞的最重的鸟大鸨体重极少超过14公斤。像秃鹫这样的大鸟只能算是滑翔的鸟,部分要借助上升的热空气流。至于155公斤重的鸵鸟则从不离开地面。为了自卫,它选择了体积和陆地上的速度而放弃了飞行。

当前流行的三种理论模型都并不准确

那些基于不准确的动物尾迹所建立的模型是否还有效,便成为了问题所在。

研究团队将三种主流模型应用于他们实际记录的测量结果,由此对奥比每一次扑棱翅膀所产生的升力大小都做出三个估算。然后他们再将三个计算出的结果与之前一项研究中测量出的实际升力大小进行了对比——在那项研究中,研究者采用的是伦廷克课题组发明的灵敏仪器。(伦廷克说,由于这个空气动力学测力平台灵敏度太高,有次在测试原型机时只是在里面充爆了个气球就差点坏掉了。)

他们发现,三种模型都在不同程度上没能准确预测太平洋鹦哥飞行时产生的实际升力。

需要新的模型

这项研究突出了要基于目前的动物飞行学知识研发机器人有多困难。三种模型之间的差异,加上之前的研究中所采用的动物的多样性(包括其他的鸟类、蝙蝠以及昆虫),使得文献间的相互对照极其困难。现在可供选择的模型表现已成问题,一种全新的模型或许才是答案。

“许多人会为了优化机器翼的设计而查阅动物飞行的相关文献。”伦廷克说。“现在,我们证明了人们使用的公式并不如他们所期待的那么可靠。为了真正给设计提供更加可靠的结果,我们需要新的研究和新的方法。”

伦廷克认为他的课题组正在研究的一种新技术——一种可以对力进行直接测量的技术——能与详尽的气流测量数据结合,从而能对动物飞行中的空气动力学现象进行更好的分析与建模。

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Gutierrez, Eric, et al. "Lift calculations based on accepted wake models for animal flight are inconsistent and sensitive to vortex dynamics." Bioinspiration & Biomimetics 12.1 (2016): 016004.

文章题图:Lentink Lab

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