世界俱乐部排名远古巨鸟能通过扇动翅膀摆脱重力束缚而飞起来吗?
2022-04-12

2500万至2800万年前,在浩瀚的大海之上,一只巨大的飞鸟张着狭长的双翼,在海上飞行了几十千米。突然,它俯冲并掠过海面,快速从水中叼出一条鱼。让人惊讶的是,它飞了如此远的距离,但是翅膀却一次也没扇动过。它就是目前发现的最大的飞鸟——桑氏伪齿鸟。

根据化石,科学家们推算出,桑氏伪齿鸟站立身高大约为2米,体重约70千克,翼展大约有7.3米。而到了600万年前,与桑氏伪齿鸟体型相近的阿根廷巨鹰称霸阿根廷潘帕斯草原的天空。如果放到现在,它们的体型大小就与一架小型飞机差不多。通过计算,研究人员认为,阿根廷巨鹰的体重已经接近安全滑翔的极限了,再重一点,就没办法飞起来了。可以想象,在它们生活的那个年代,当它们翱翔于天际时,是何等得威风。相比之下,现存的最大的飞鸟信天翁,体重只有大约9千克,翼展不过3米多。

这些巨型飞鸟给科学家们出了一道难题——它们是如何飞行的?小型鸟类因为很轻,可以通过扇动翅膀来为自己提供动力。但是这些远古巨鸟大得像飞机,它们能通过扇动翅膀摆脱重力束缚而飞起来吗?

站得高,飞得远

飞鸟都有一些共同的特点,比如它们都有中空的、轻的骨骼,尽可能地减轻体重,还要有足够结实的翅膀,这样扇动起来才能产生足够的升力。因此如果一只鸟想要通过扇动翅膀来让自己保持飞行,就必须要尽可能地“保持身材”,不能太重。而飞鸟扑翼飞行的动力主要来自飞行肌肉,在飞鸟的身体中,飞行肌肉平均占体重的17%左右(这与鸟类的大小无关),其中胸大肌是最主要的飞行肌肉。而像桑氏伪齿鸟和阿根廷巨鹰这样大小的巨鸟,它们的胸大肌大约只有11千克。通过计算,研究人员认为,即使是连续扇动翅膀,也还是不足以产生足够的力量让它们飞起来。并且,由于这些远古巨鸟的翅膀都太长,起飞时根本不可能通过连续扇动翅膀来获得起飞的能量。那么,它们是怎么飞的呢?

研究人员通过对阿根廷巨鹰的化石研究,建立了飞行模型,结果发现阿根廷巨鹰是空气动力学专家,它们起飞—飞行—降落的整个过程都很巧妙地利用了气流。

阿根廷巨鹰的主要栖息地是安第斯山脉和潘帕斯草原。研究人员认为,这些栖息地的选择并不是巧合,而是这些地方真的非常有利于它们生存。中新世时期安第斯山脉有陡峭的山和偏转的风,而潘帕斯草原干燥,强烈的上升热气流活跃。通过计算,研究人员认为,像秃鹰一样,阿根廷巨鹰只需要张开翅膀,在顺风吹来时,从斜坡助跑或者从悬崖上跳下,完全不需要扇动翅膀,就能乘着风飞起来了。研究人员的研究还显示,阿根廷巨鹰在微风习习的情况下,即使是在只有10°的斜坡上,只要附近有1米/秒的上升气流,它们也能顺利起飞。可见它们是非常高效的滑翔大师。

更有意思的是,科学家发现,这种巨大的鸟起飞之后,可以在几十千米的飞行中不扇动翅膀。它们是怎么做到的呢?

绕圈飞行找气流

阿根廷巨鹰不能通过扇动翅膀来起飞,同样地,在空中时,阿根廷巨鹰也极少扇动翅膀。据估算,大型鸟类扇动翅膀飞行的成本比滑翔时的飞行成本要高出30倍左右,因此,为了保存体力持续飞行,像阿根廷巨鹰这样的大型飞鸟不会高频率地扇动翅膀,有时候几个小时的飞行可能也不会扇动一次翅膀。同样地,解决如何不扇动翅膀飞行这个问题,阿根廷巨鹰还是利用了气流。像老鹰、秃鹰等鸟类一样,阿根廷巨鹰也会在空中盘旋,但是它们不是在寻找猎物,而是在和上升气流“磨合”,或者在探索由一股股气流形成的看不见的“路”。

由于不同区域的温度差异,空气会形成对流,有的气流上升,有的气流下降,有的气流横着走,阿根廷巨鹰飞行时主要利用的就是上升的热气流。上升热气流并不依赖于风,而是依靠太阳辐射产生的对流。太阳辐射将地面加热到高于空气的温度,而靠近地表的空气又被地面加热,这些热气流形成柱状上升。热气流可以是不断上升的空气“烟囱”,也可以是一系列离散的甜甜圈形状的气团。

上升热气流的范围是有限的,垂直气流的速度在热气流区的中心最强,向外逐渐减小。研究显示,一旦进入热气流区,只有热气流的上升速度大于阿根廷巨鹰的下降速度,它们才可以在上升气流柱内垂直盘旋和爬升。当这些巨鸟到达热气流的顶部时,可以直接滑翔到相邻的热气流区,并通过相邻的这股热气流保持飞行高度。为了让自己一直可以乘着热气流飞翔,它们必须要绕着热气流的中心尽可能地盘旋。当然,不需要担心这些巨鸟会在热气流中旋转时被甩出去,因为它们在盘旋时,通过调整翅膀升力有一个指向转弯中心的力分量,可以平衡离心力。

打开自带降落伞

阿根廷巨鹰起飞、长途飞行都利用了气流,降落更是离不开气流的帮助。

鸟类降落在树枝上、悬崖上,看起来都轻松自如,但是事实上,对于它们来说,降落也是一个大问题,稍有不慎,要么飞过了着陆地点,要么直接撞上去。大多数鸟类会“瞄准”着陆地点的稍下方的位置,快接近着陆地点时再向上拉升一点就可以准确着陆了。而像水禽,它们在水上降落时会先停止拍打翅膀,然后伸出双脚踩“刹车”。

而阿根廷巨鹰这样翅膀无法给它们足够升力的巨型鸟类,想在山坡和悬崖上着陆就更困难了。根据模拟结果,阿根廷巨鹰没有用上文说的两种方式来着陆,而是先离开上升气流的中心,然后快速俯冲。此时,它们张开的翅膀就像降落伞,使阿根廷巨鹰减速,然后用脚来“刹车”。此外,阿根廷巨鹰也可能在一次长时间的滑翔中着陆,在这个滑翔的过程中,它们会一点一点减速,当速度合适时,它们就可以安全着陆了。

从体型上来看,阿根廷巨鹰似乎不适合飞行,但是事实上,它们从起飞,到飞行,再到降落都能优雅、高质量地完成。而能做到这一点,气流可算是功不可没。而这些研究不仅让我们了解了这些远古巨鸟的飞行原理,也为科学家们提供了研制大型飞行器的思路。

不管怎么说,身体如此庞大,还能称霸天空,阿根廷巨鹰和桑氏伪齿鸟都是非常成功的掠食者。那么,为什么现在再也没有像阿根廷巨鹰这样的巨型飞鸟了呢?

研究人员认为,这可能和气候有关。就拿阿根廷巨鹰来说。600万年前,阿根廷比现在要热得多,也干燥得多——正是这种天气产生了强大的热气流,而这些强大的气流正是将巨大的阿根廷巨鹰托起的重要条件。而一些研究人员有不一样的观点,他们认为,现代飞鸟的大小受到它们的羽毛生长的限制,一只巨型鸟根本不可能快速更换它们磨损的羽毛,因此不能时刻让自身符合空气动力学的要求。

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