鳥為什麼能飛起來?沒你想的那麼簡單!

▲ 飛起的鳥。圖/Rawpixel

鳥為什麼能飛，這個問題還不好回答麼？因為它有翅膀啊！那為什麼鳥有了翅膀就能飛呢？光有翅膀它就能飛麼？這些問題，回答起來可不是那麼簡單。

飛和起飛，是兩碼事

從側面看過去，你會發現鳥類翅膀上面的彎曲程度要大於下面，彎曲的翼形能加速空氣的流動，讓氣壓減小，所以鳥類翅膀上方的氣壓要小於下方，它就這樣被空氣託起來了。

▲ 機翼附近的空氣流動圖。圖/Wikipedia可是，你想過沒有，彎曲的結構為什麼會加速空氣的流動？回憶一下漂流時的經歷：是不是河道窄的時候河水流速快，河道寬的時候就是流速慢？空氣就像河道裡的水，彎曲程度越高，相當「河道」越窄，氣流的速度自然就變快了。▲ 一隻煽動翅膀的北極海鸚，能夠隱約看出來翅膀上側的弧度。圖/Rawpixel那為什麼速度變快，壓強就會變小呢？流速快，可並不代表空氣量就少了。這就要提到流體動力學的伯努利原理了，這個原理指出：流體的速度越快，壓強越小。舉個例子來說，兩張紙放在嘴邊，對著兩張紙的中間吹氣，兩張紙不會分開，反而會靠攏，這就是吹出來的風讓壓力變小了。▲ 一張伯努利方程的實驗圖，在同等通風量的情況下，氣道寬的地方風速小，氣壓更大（水面低）。圖/Wikipedia飛機的機翼，與鳥類的翅膀構造相似，所以飛機也能在空中飛行。不過，你有沒有注意到一個問題：那就是除了直升機和一些能夠垂直起降的噴氣戰鬥機，飛機在起飛前都要「助跑」才能飛起來，這是為什麼呢？▲ 航空母艦通過彈射裝置縮短飛機的起飛距離。圖/Wikipedia這是因為在伯努利方程中，上下壓強的差值基本上是等於速度平方的差值（再乘上一些常量），我們假設翅膀上面的彎曲凸起可以讓風速加快1倍，在速度是1的時候，上下平方的差值只有3，但在速度是10的時候，上下平方的差可高達300，所以，只要速度夠快，鋼鐵做的飛機也能被空氣頂上天。▲ 被空氣「頂上天」的鳥。圖/Rawpixel和飛機一樣，鳥在起飛前，速度為0，就是張開翅膀也不可能憑空浮起來。在空中可以靠空氣浮力，但想起飛？必須全靠自己。鳥在起飛時候，第一要向上離地獲得高度，第二要向前加速加大浮力。鳥靠拍打翅膀就可以同時獲得向前和向上的推力，完成這兩個任務。▲ 一隻正在起飛的白枕鵲鴨。圖/Wikipedia對於一些小鳥來說，它們用腳一蹬，翅膀一抖就可以飛起來了，但很多體型很大的禽類，必須邊助跑邊煽動翅膀，才能起飛。還有一些鳥，比如雨燕，雖然善長飛行，但它的腳退化得只能攀附在立面上，不能走路也不能跳躍，所以只能停在高處，靠重力讓自己獲得初始速度。▲ 在飛行的普通雨燕。圖/Wikipedia鳥在飛起來後，如果沒有上升氣流的幫助，還是要自己扇動翅膀，來繼續向前加速，向上飛行，否則只能越飛越低。

不一樣的翅膀，不一樣的飛翔 

同樣是鳥，因為翅膀結構不同，飛行能力也千差萬別，人類仿照不同翅膀的特點，製作出了不同特性的飛行器。信天翁的翅膀，特點是「細、長、直」（這聽上去似乎不是在描述鳥的翅膀），這種翅膀可以儘可能多地利用空氣動力，它們在天空飛翔時，只有10%的所需能量來自於自己。▲ 海上飛翔的信天翁。圖/Wikipedia當然，這種翅膀也有自己的短板，它能鼓動的風量小，起飛、降落、轉向、加減速都比較困難，所以信天翁與其說是在飛行，不如說是在「享受隨風逐流」，佛系的很。「陽光動力2號」是一架以太陽能為動力的滑翔機，它就模仿了信天翁的翅膀模式——翼展長達72米，堪比波音747－800型客機，但駕駛艙卻只有3.8立方米的空間，這樣的結構，可以最大程度地省力、節電，以完成長距離飛行。2016年7月26日，它曾完成了人類首次太陽能環球飛行壯舉。▲ 陽光動力2號。圖/Wikipedia燕子會邊飛，邊捕捉另一種飛行大師——昆蟲，所以它的飛行技巧極高，它短而頭尖的翅膀，可以幫它完成急停、垂直上躥、180度大急轉等高難度動作。燕子的飛行速度也很快，一種叫做白喉針尾雨燕的燕子，時速可達到170千米，也就是百米賽跑只需2秒多就「跑」完了。▲ 白喉針尾雨燕。圖/Wikipedia世界上最早的一款噴氣式戰鬥機梅塞施密特262，代號就叫「燕子」，俄羅斯空軍大名鼎鼎的米格-29特技飛行表演隊，名字叫「雨燕」，給它們起名字的人，或許都希望這些飛機能像燕子一樣靈活、高速吧。▲ 飛行中的梅塞施密特262。圖/Wikipedia老鷹的翅膀大、肥、寬、圓，邊緣的羽毛間可以明顯看到縫隙（翼指），它們既能像信天翁那樣在高空盤旋，尋找獵物，還能折起翅膀，向下俯衝，而且，如此肥厚的翅膀，讓它抓住獵物後依然能獲得足夠的升力飛上高空。▲ 鷹類翅膀示意。圖/Wikipedia人類的飛行器中，最接近老鷹翅膀的莫過于波音787 「夢想客機」的機翼了，同時，NASA也在研製了一種機翼能夠向後折30度的飛機，以模仿老鷹俯衝時的模樣。▲ 波音787客機。圖/Wikipedia

光有翅膀，還不夠

已經有1.5億年歷史的鳥類家族，包括翅膀在內，幾乎身體的每個部位，都與飛翔有著關係。身體越輕，飛翔所需要的能量就越少，像知更鳥，體重和一個空易拉罐一樣。中空的骨架被也認為是鳥類身體輕盈的秘訣。在許多書裡都寫到：人類的骨骼中充滿骨髓，而鳥類的骨骼中卻充盈著空氣，但這麼說其實並不嚴謹。▲ 知更鳥，一種漂亮，靈動的小鳥。圖/Wikipedia試想一下，如果鳥類的骨骼裡沒有骨髓，那它的血是從哪裡來的？要知道，造血幹細胞都在骨髓裡啊。所以實際情況是，鳥只有部分的骨骼是中空的，但有些骨頭也和人一樣，是有骨髓的，不信你切開個雞大腿看看，裡面是不是有骨髓？▲ 鴿子骨架示意，填充了的骨頭是有骨髓的。圖/《Erythropoietic bone marrow in the pigeon》Karsten Schepelmann, 1990鳥類的骨骼雖然輕到只佔體重的5%，但並不是所有地方都「減配」了。比如，它的腿骨就很強壯，這既有助於承受每次降落時帶來的衝擊力，也讓它們在面對捕食者時可以迅速躍起，起飛逃跑。而且，鳥類的胸骨也異常發達，這樣就可以附著更多的肌肉，這裡強健的胸肌（負責向下扇翅膀）和喙上肌（負責向上回翅膀），重量能夠佔到全部體重的30%以上。▲ 鳥類的骨骼剖面圖，以及胸肌和喙上肌。圖/Wikipedia高效的飛行，不僅需要減重，還需要增加動力，呼吸系統和循環系統，是鳥類的發動機，它們的這兩個系統，都要比人類強大很多。人在吸氣時只呼入新鮮空氣，呼氣時只排出廢氣，但鳥卻通過增加前後氣囊，實現了在吸氣、呼氣時都有新鮮空氣可用。在鳥吸氣時，會有一半氣體會直接進入後氣囊存起來，另一半則在肺部交換後排入前氣囊，當它在呼氣時，後氣囊的新鮮空氣則會進入肺部交換，再和前氣囊的廢氣一起排出。

▲ 鳥吸氣和呼氣時肺部和前後氣囊中空氣的流動方向。圖/Wikipedia人的肺部，既要交換氣體，還要儲存氣體，這意味人的肺裡總會殘留廢氣，這些廢氣和新呼入的氣體融合，讓整體的氧含量降低。但鳥肺只交換氣體，儲存氣體的工作交給了氣囊，所以它的肺，每次都能用到不折不扣的新鮮空氣。鳥的肺，不像人的肺那樣長有死胡同般的肺泡，它的肺裡全是連通的、細小的管道，空氣在其中流動暢通無阻，這些細小管道的表面積很大，鳥類平均每克體重對應的肺部氣體交換面積有200平方釐米，而哺乳動物只有15平方釐米。▲ 大海上的翱翔的海鷗。圖/Wikipedia鳥的橫膈膜不發達，只能依靠肋骨膨脹胸腔來完成呼吸，但它每上下扇動一回翅膀，恰好就拉動肋骨被動地完成了一次呼吸，一切都來的那麼自然。吸夠了氣，還需要一個強大的循環系統來把氧氣送給各個細胞。我們最為常見的鴿子，心臟的重量可以佔到總體重的1.7%以上，而人類只有0.42%，鳥中少有的能夠懸停的蜂鳥，這個比例高達2.3%，而且心臟每分鐘能跳動600多次。▲ 快速煽動翅膀的蜂鳥。圖/Wikipedia鳥把一切幾乎都做到了極致，才能展翅高飛。達文西想通過模擬鳥的造型，讓自己也飛起來，但直到萊特兄弟為木頭做的飛行器裝上了喝汽油的鋼鐵之心後，我們才最終脫離了地心引力，和鳥一同飛上了藍天。

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文丨張雨晨

封圖來源丨Rawpixel

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