鸟类飞行原理：蜂鸟破解飞行之谜

鸟类既是飞行员又是飞机，它们必须决定起飞、飞行方向、高度、鸟翼与尾部的运动学和速度，最后选择正确的着陆方式。相同条件下，尽管存在个体差异，但鸟类更倾向于用完全相同的飞行策略。在其他相同条件下，通过改变飞行的距离和体重，可以引起速度和运动学的轻微且一致的变化。脚在起飞时一脚蹬开，并不考虑树枝的厚度，所用到的力量可能是体重的数倍，起飞角度为70°。一些物种例如蜂鸟在起飞时拍打翅膀。鸟在栖息处着陆时，可以做到速度降低到零却不降低高度。我们仅仅只是开始了解鸟是如何做到这些的。

扑翼飞行的鸟翼拍打运动学需要高速图像，最好是三维的，Marey（1890）是第一个成功做到的人。我们以红隼为研究对象，研究在下冲过程和上冲过程时的鸟翼变化，以及在有无负重的飞行中鸟翼拍打的修正和鸟翼的拍打幅度。关注于小鸟的单翼拍打以揭示运动参数的高变化率。高加速度、频繁的旋转和变形使鸟翼拍打变成空气动力学的高度不稳定事件。鸟翼拍打运动学通常研究某一只鸟或某一个物种，但是物种的变化很大，可是几乎没有相关研究。

悬停是在无风的固定点飞行，许多小鸟只能在短时间内做到这一点。蜂鸟具有很好的形态和运动学特征，所以它们能够长时间悬停。它们能够在下冲结束时转动手翼，并能够在上冲时上下颠倒手翼。通过给鸟负重并使其在低密度空气飞行，研究悬停过程中的最大性能。蜂鸟的鸟翼拍打频率为60 Hz，并且能够向上推动相当于自身体重2倍的力。

有风悬停是一个非常不同的技能，只有少数鸟类能做到，这些鸟在风中迎风飞翔，头部保持在地面或水面上的精确固定位置，以便于寻找移动的猎物。在阵风中，鸟翼、鸟尾和脚需要在空中进行调整以保持头部稳定。

扑翼飞行是很复杂的一项技能，我们认为鸟类会选择节省体力的方式飞行。鸟类可以表现各种飞行方式，这都证明扑翼是不容易的。在间歇性飞行时，翅膀拍打会反复地短暂暂停。间断时鸟翼紧贴身体；间断滑行时鸟翼会保持舒展。对斑马雀的间断飞行进行精确测量，得到这种行为的运动学分析，也说明间断在低速飞行时提供升力，在高速飞行时减小阻力。较大的鸟类在低速飞行时会间断滑翔，在快速飞行时会间断飞行。无论如何，周期性的短暂暂停相比于不停的拍打翅膀会节省体力，但尚无直接证据。编队飞行能为飞机节省能源，但对鸟类无效。然而，现在的间接证据表明，鸟类在特定的环境中飞行不仅会密切联系，而且也会节省体力，但是需要证据来证明这个观点。(www.xing528.com)

大气环境为鸟不拍翅膀飞行提供了机会。风的阻隔可以导致向上滑行，并且很多中等大小的鸟都在利用这种方式飞行。红隼利用这种方式在荷兰的坝堤上，在9 m·s-1的6°～7°的风中保持不动。在南部海洋的大风速度梯度中向上飞行，虽然会降低速度但会获得动能，信天翁或许可以这样保持动态翱翔，该飞行方式为向下滑行到风速低的海平面，然后向上飞入高速的风里。通过增加高度和利用风速梯度实现动能和势能的相互转化。鸟与海浪的相互作用同样可以实现这种能量的相互转化。上升气流使鸟能够沿着海浪滑行并增加速度。热气流是由温度差异导致的向上移动的空气，这也通常发生在陆地上。一种宽开槽翅膀的大型鸟类可以不用体力而利用热气流进行长距离飞行。从地面垂直起飞可能需要一种常见的鸟翼形状。

对飞机或飞行动物的操纵是通过围绕重心的三个轴的旋转：围绕垂直轴的偏航，围绕伸展翅膀的轴的俯仰，围绕头部与尾部连线的轴的滚转。对鸽子进行操纵飞行的精确测量为我们提供了对运动学的认识。

我们很难估计自由飞行的鸟周围的空气速度。可以很精确地测量地面上的风速，但是很难获得鸟周围的风速。许多物种的可靠数据表明，速度在物种间的差距较小，形体大小对速度并不重要。大部分物种的飞行速度为6～16 m·s-1，下潜捕猎的猛禽能达到最高速度。