飛行效率很高的鳥類之一是什么（信天翁）

向馬拉松式飛行能手學(xué)習(xí)

信天翁是一種非常大的海鳥，其中漂泊信天翁是最大的信天翁，平均翼展3.1米，是現(xiàn)存鳥類中翼展最大的。它一次遷徙能飛16000公里。人們不禁要問：為什么信天翁能完成這么長(zhǎng)距離的飛行？

原來，巨大的翼展賦予了它在風(fēng)中滑行的能力，它的飛行軌跡就像過山車路線一樣，它在空中反復(fù)上下攀爬——這種飛行技巧被稱為“動(dòng)力飛行”。在這種情況下，鳥類只需張開翅膀就可以在空中停留。

由于信天翁生活在未知的北冰洋附近，人們很難到達(dá)那里，但是，理解這一地區(qū)的氣候變化也很重要。有了可以利用風(fēng)力的機(jī)器人，它們可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和獲取比現(xiàn)在更密集的數(shù)據(jù)。因此，科學(xué)家利用機(jī)器人開始研究信天翁，希望從中學(xué)習(xí)最佳的長(zhǎng)途飛行模式。

02模擬信天翁的飛行模式

英國(guó)著名物理學(xué)家萊利勛爵是第一個(gè)用數(shù)學(xué)模型描述飛行效率的人。他預(yù)測(cè)信天翁會(huì)以180度半圈的方式飛出一系列弧形路徑，因?yàn)樗鼈冃枰�逆風(fēng)爬升，然后潛入較低的風(fēng)層以獲得飛行的動(dòng)力。即使在今天，這也是一種常見的解釋。

但最近，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們開發(fā)了一種新的模型來模擬功率飆升，但得出了不同的結(jié)論。研究小組首先對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了建模，并繪制了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方程。由于高度不同，風(fēng)速不同，所以會(huì)形成不同的層。所以他們特別注意慢風(fēng)和快風(fēng)層之間的距離，也就是說剪切層的厚度。

然后他們用一個(gè)三維模型來表示信天翁或滑翔機(jī)的飛行，他們發(fā)現(xiàn)在較薄的剪切層中，鳥類只需要較少的風(fēng)來保持飛行。換句話說，慢風(fēng)層和快風(fēng)層越近，信天翁在空中停留所需的能量就越少。

信天翁首先飛到大風(fēng)層，在風(fēng)的幫助下滑翔，重力會(huì)把它壓低。當(dāng)它落入風(fēng)速相對(duì)適中的慢風(fēng)區(qū)時(shí)，它會(huì)調(diào)整身體，以慣性向上爬升，再次進(jìn)入快風(fēng)區(qū)，然后進(jìn)行下一個(gè)飛行周期。研究人員的模擬發(fā)現(xiàn)，如果上述曲線形成的弧較淺，則效率會(huì)更高。雖然半圓弧下落時(shí)飛行速度較快，但上升時(shí)爬升難度較大。為了節(jié)約能源，最好采用淺弧軌跡。

研究小組計(jì)算出最節(jié)能的飛行軌跡是在非常淺的弧線上飛行。為了確定模擬結(jié)果是否符合實(shí)際，他們將模擬結(jié)果與GPS記錄器記錄的信天翁飛行軌跡進(jìn)行了比較。記錄顯示，這些鳥的飛行軌跡平均約為60度，呈淺弧度，比大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為的180度要淺得多。

因此，設(shè)計(jì)師用這一原理設(shè)計(jì)出了一種能利用風(fēng)能飛行的“飛行機(jī)器人”，這種設(shè)計(jì)不僅有利于提高機(jī)器人的飛行速度，而且有利于機(jī)器人沿淺弧運(yùn)動(dòng)時(shí)能量的有效獲取。

03翅膀的顏色也很關(guān)鍵

另一方面，新墨西哥州州立大學(xué)的一個(gè)航空航天工程師團(tuán)隊(duì)在試圖改進(jìn)無人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，無意中發(fā)現(xiàn)像信天翁這樣的大型海鳥翅膀上方大多是黑色羽毛，而翅膀下方則是白色羽毛�？茖W(xué)家認(rèn)為，這樣的選擇一定是有道理的。

事實(shí)上，研究黑白翅膀顏色的科學(xué)家以前就注意到了。但鳥類學(xué)家認(rèn)為，這種顏色圖案是一種偽裝，白色可以更好地與天空融為一體，這就減少了地面食肉動(dòng)物發(fā)現(xiàn)這些飛鳥的機(jī)會(huì)。但是研究小組懷疑事情并不是那么簡(jiǎn)單，他們推測(cè)這種顏色模式可能也有利于海鳥滑行。

所以他們研究了太陽(yáng)的顏色和機(jī)翼表面是如何相互作用的。結(jié)果表明，黑色上翼比白色上翼更能吸收太陽(yáng)光。實(shí)際上，黑色的翅膀上翼和白色翅膀下翼的溫差高達(dá)10℃。溫度越高，空氣流速越快，因此壓力越小。所以有一個(gè)額外的上升力。這將減少能源消耗，使他們有更好的飛行耐力，尤其是當(dāng)他們飛行了很長(zhǎng)的距離。

在無人機(jī)上的實(shí)驗(yàn)表明，黑色實(shí)際上可以降低飛行阻力，這種顏色的配置更適合無人機(jī)，因?yàn)槿绻麩o人機(jī)的尺寸更接近候鳥。那么這意味著能更少的減少能量損耗，這也意味著電池的續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，這使得無人機(jī)可以更長(zhǎng)時(shí)間不間斷地執(zhí)行任務(wù)，幾乎可以像信天翁一樣可以輕松地在地球的兩端飛行。

兩個(gè)小組的研究結(jié)果都可能對(duì)無人機(jī)的未來產(chǎn)生重大影響。我們相信，在不久的將來，我們將看到風(fēng)電無人機(jī)能夠在世界偏遠(yuǎn)地區(qū)為我們執(zhí)行長(zhǎng)期遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)任務(wù)，甚至可以超越信天翁。