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鸟飞“人”字形更省力

发布时间:2019-12-01 06:40编辑:热门文章浏览(128)

    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。

    图片 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?

    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?

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    【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】

     

    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】

     

    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。

    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》 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

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