不只“人”字和“一”字——大雁飞行队形里奇妙的空气动力学

彬鸿聊科技 2024-05-30 05:12:35

北雁南飞,大雁在长途迁徙过程中总是以规则的队列飞行。

正如小学语文课本里说,“一群大雁往南飞 一会儿排成个人字 一会儿排成个一字”。其实,不止大雁,很多鸟类在飞行过程中保持着规则的队形,而且也不止“人”字和“一”字两种队形,更准确的说,“一”字队形只是雁群的转换队形或轮换头鸟时的中间状态,常见的队形有“V字”形、“倒V”字形、“J字”形、“倒J”字形。

我们以V字队形为例具体讨论。

V字队形不仅被鸟类使用,在军事上也屡见不鲜。从中世纪的斯巴达人到现代的战斗机和海战,V字形编队都被广泛应用。排成V字形编队使队列中每个个体都能清楚地看到前方。

科学家们发现,V字形编队后面的鸟类心率较慢,振翅的频率也较低。这显然表明鸟类从这种飞行编队中受益更多。但现在的问题是,鸟类究竟如何从中受益?

研究发现,鸟类通常在前方飞行大约一米的地方,稍稍偏向一侧。当前方的鸟振翅时,直接在其身后形成的气旋将向下推动,称为“下沉气流”。

下沉气流

接着,振翅产生的压力差异导致翅膀下方的空气压力高于翅膀上方的空气压力。空气通常从高压区向低压区移动,向上方移动,这称为“上升气流”。

上升气流

于是,奇妙的事情出现了。位于后方的鸟类借助前方鸟类上升气流的推动,可以花费更少的能量来飞行。

鸟类的V字形编队使每个成员都直接位于邻居的上升气流后面和侧面。越靠近编队的末端,压力差越大,所以在后方的鸟类消耗的能量比前方的鸟类少得多。

在现代战争中,这种编队还有助于提高高速战斗机的燃油效率,原理是相通的。

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