舒愉棉/編譯

達·芬奇的飛鳥滑翔觀

舒愉棉/編譯

圖1 信天翁和其他海鳥通過穿行于風(fēng)速梯度而幾乎不費力地在空中盤旋。在理想化的無礙飛行中，飛鳥們甚至能夠如圖所示獲得提速

● 500多年前，偉大的博學(xué)家萊昂納多·達·芬奇曾通過素描作品詳細描述了鳥類通過風(fēng)速梯度獲得動能補充的策略。

只需輕拍翅膀，漫游的信天翁就能環(huán)航地球。當(dāng)橫飛在北太平洋上空時，信天翁和海鳥們能利用風(fēng)切變（譯者注：一種大氣現(xiàn)象，是風(fēng)速在水平和垂直方向的突然變化）來獲取持續(xù)飛行的能量，無線電遙控的滑翔機采用的也是類似策略，我們稱之為動態(tài)滑翔。利用風(fēng)刮過山脊形成切變，滑翔機的飛行空速可以達到驚人的每小時500英里。工程師們目前正致力于開發(fā)能夠利用這一技術(shù)的全自動無人機，希望能夠使其在跨洋長時飛行中獲得不同能源的持續(xù)補給，而這種無人機可以應(yīng)用在環(huán)境檢測、監(jiān)控以及海上搜救等多個領(lǐng)域。

答案在風(fēng)中

以信天翁與海鳥們的飛行為例，如圖1所示，動態(tài)滑翔具有明確的階段性。當(dāng)海鳥的飛行貼近海洋表面的時候，它們會逆風(fēng)上行，以較小的角度穿過風(fēng)切變層。一旦到了風(fēng)切變層之上，飛鳥們又會掉頭順風(fēng)下行，再次穿過風(fēng)切變層進入到無風(fēng)層。到了無風(fēng)層之后，飛鳥們又會再一次開始逆風(fēng)之行。

如圖1所示，信天翁可以通過穿梭風(fēng)切變層的升降循環(huán)增加空速，而影響它的動能的關(guān)鍵步驟就是順風(fēng)斜彎轉(zhuǎn)向并上升到風(fēng)速相對強的最高點的部分。本質(zhì)上來說，信天翁如同在一面朝它移動的巨型墻上反射了回去。這面風(fēng)墻將自身的部分動能轉(zhuǎn)移給了信天翁，而自己并未受到相互作用的影響。在實際的滑翔飛行中，信天翁獲得的部分甚至全部動能會被阻力損耗掉，因此整個飛行是能量平衡的。

圖1中的信天翁是在懸停模式示意圖中循環(huán)飛行的，而通過飛行路徑中的微小改變，信天翁就可以朝相對于風(fēng)向的任何方向飛行。的確，信天翁常常利用動態(tài)滑翔來飛行穿越風(fēng)場并且同時還能保持20米/秒的速度。通常來說，當(dāng)它們穿梭風(fēng)切變層升降飛行時，它們的水平速度分量會相對橫穿風(fēng)層方向有個傾斜角度。當(dāng)信天翁和其他海鳥直接逆風(fēng)飛行時，它們的飛行方式與搶風(fēng)航行的帆船如出一轍。

萊昂納多·達·芬奇（1452—1519）在嘗試發(fā)明人力飛行器的時候曾研究過鳥類飛行，并對研究了解鳥類如何能不通過鼓翼撲打而滑翔的原理尤為熱衷。達·芬奇素描了不計其數(shù)的鳥類，對飛行范式加以評述并仔細研究了空氣與水的運動情況。盡管很多人了解他對空氣動力學(xué)的研究，卻鮮有人知達·芬奇是記錄動態(tài)滑翔飛行策略的第一人。

研究簡史

瑞利勛爵（Lord Rayleigh）對鳥類如何從風(fēng)切變中獲取維持滑翔能量的逼真描述是世界公認的第一次。在1883年發(fā)表的論文中，他分析了如圖1所示的雙層幾何圖形，卻發(fā)現(xiàn)飛鳥同樣能夠很好地從連續(xù)的風(fēng)速梯度中獲取能量。

20世紀初，瑞利勛爵在飛行的機械原理的綜述中對鳥類滑翔進行了總結(jié)。這篇綜述極為重要，因為在當(dāng)時瑞利是為數(shù)不多支持推廣人類飛行又受人敬重的科學(xué)家之一。他的研究成果包括了對信天翁與其他海鳥動態(tài)滑翔的檢測，同時還探討了在陣風(fēng)、熱氣流上升氣流、風(fēng)擊坡地以及向上偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象中的滑翔情況。

如今，關(guān)于海鳥滑翔爭論的主要觀點集中在到底飛行的主要能量來源來自何處：是如上文描述的來自風(fēng)切變，還是應(yīng)該歸功于上升氣流？某種程度上，來自計算機精準建模的數(shù)據(jù)支持讓業(yè)內(nèi)輿論趨于統(tǒng)一，認同動態(tài)滑翔理論解釋了大多數(shù)信天翁滑翔的原理，最起碼在信天翁橫跨多風(fēng)的南大洋的飛行中，這一解釋是行得通的。

達·芬奇筆記

達·芬奇想要探究鳥類如何能夠持續(xù)滑翔，并想通過研究所獲的信息來研發(fā)人類飛行。他對于鳥類滑翔的飛行觀察大多是在1500到1506年間在佛羅倫薩附近完成的，在他的“手稿E”中能夠找到他對于這些觀察的總結(jié)和對于動態(tài)滑翔的描述，而這些都為鳥類飛行與風(fēng)的科學(xué)研究做出了劃時代的貢獻。手稿在1513到1515年間進行編制，那時達·芬奇居住在羅馬。

在他的手稿中，達·芬奇繪制了順風(fēng)與穿風(fēng)滑翔的圖片。圖2是“手稿E”開本第40頁的復(fù)制品，展現(xiàn)的是一小群遷徙的飛鳥穿風(fēng)動態(tài)滑翔的過程。在他的筆記中，達·芬奇寫到，鳩類與其他相似的鳥類采用圖示的策略，成群結(jié)隊地飛行。以下是他對這波浪形運動的描述:

“當(dāng)飛鳥成群長途遷徙時，如果有風(fēng)恰好從一側(cè)襲來，那么于它們的飛行而言無疑是極大助力，這背后的原因則是這種飛行是依靠大量反彈 [波動]，入射運動發(fā)生在風(fēng)層[風(fēng)程]之下，雙翼相對狹窄且飛行沿著既定行程方向前進，因而翅膀的扇動對于飛行并無作用。而反射運動發(fā)生在風(fēng)層[風(fēng)程]之上，飛鳥的雙翼舒展，向上攀升，逆風(fēng)而行，此時風(fēng)如同重物之下的楔形階梯，在飛鳥的雙翼之下鋪得滿滿，將飛鳥向天空托舉而起?！?/p>

圖2 早在16世紀由達·芬奇繪制的風(fēng)場穿梭動態(tài)滑翔示意圖。近直垂線表示的是水平風(fēng)的方向，在圖中表示的是自上而下吹過。右起向左的下方文字表示的是：鳥類們運動的第一階段包含了由出紙面方向和逆風(fēng)方向組成的上升過程，而緊接著的下降部分是隨風(fēng)而行。風(fēng)向以及飛行策略的細節(jié)在萊昂納多獨特的自右至左鏡面倒寫法記錄的手記中有詳細描述

達·芬奇使用的“反射運動”這一術(shù)語使人聯(lián)想到前文描寫的風(fēng)墻反射的畫面，盡管他明顯更鐘情于將風(fēng)對飛鳥的作用比喻為楔子。

在“手稿E”開本第40頁中，達·芬奇描述了順風(fēng)的動態(tài)滑翔。盡管他在手稿中提到了少數(shù)陸鳥，但他并沒有標(biāo)明他所繪制的順風(fēng)滑翔的飛鳥種屬。事實上，他僅僅清楚標(biāo)記了唯一一種他所觀察到的鳥類種屬、觀察的時間和地點，那就是他在1505年3月14日在佛羅倫薩附近前往菲耶索萊途中觀察到的名為“可通（cortone）”的掠食性鳥類。

達·芬奇并未在筆記中提及在他記錄動態(tài)滑翔時是否存在隨海拔改變而出現(xiàn)的風(fēng)速增加的現(xiàn)象，也許當(dāng)他并沒有注意到風(fēng)切變對于滑翔的至關(guān)重要。但在他另一個筆記本的條目中顯示，他的確注意到了隨海拔增加風(fēng)速增加的現(xiàn)象。正如他所觀察到的，“當(dāng)風(fēng)向與它們的路徑相悖時，飛鳥們常常低飛，這告知我們高處的風(fēng)相較于低矮處的風(fēng)是怎樣的強勁。”當(dāng)然，在16世紀初期，達·芬奇并沒有如同當(dāng)代科學(xué)那樣精準地提出動態(tài)滑翔的概念，盡管如此，他仍然是描繪并闡釋滑翔獲能策略的第一人，而這一策略對于海鳥和工程師而言都無比重要。

本文作者菲利普·理查德森（Philip Richardson）是馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋研究所榮休科學(xué)家。

[資料來源：Physics Today][責(zé)任編輯：彥 隱]