|
地球上能夠飛行的動物為數(shù)眾多，而在它們之中，蜻蜓堪稱是飛行界的王者，它們在空中的靈活性、穩(wěn)定性、機動能力……簡直可以說是“開掛”一樣的存在。 蜻蜓的飛行能力到底高超在哪里呢？首先就懸停。一般的飛行昆蟲，比如蚊子、蜜蜂也可以懸停，但都會“晃動”，得靠不停調(diào)整翅膀來勉強維持平衡，而蜻蜓的懸停就像是“釘”在空中一樣，幾乎沒有任何“晃動”，即使在有風的情況下，只要風不是太大，它們也可以保持驚人的穩(wěn)定。
然后就是它們那堪比頂級跑車的瞬間爆發(fā)力。一只靜止的蜻蜓，可以在不到一秒的時間內(nèi)，化作一道幻影沖向它的獵物，而在此過程中，它們的瞬間加速度甚至可以高達9個g。 而真正讓其他飛行動物望塵莫及的，是它們那匪夷所思的空中機動能力，它們的飛行似乎沒有“前方”這個固定的概念，因為它們可以輕而易舉地向任何方向飛（包括倒著飛），并且它們在空中的轉(zhuǎn)向可以瞬間完成，而只要它們愿意，甚至還可以在高速飛行時做出近乎90度的直角轉(zhuǎn)彎。 重要的是，蜻蜓的種種“神技”還不是孤立的，它們能將懸停、爆發(fā)、急停急轉(zhuǎn)、倒飛等等動作，流暢地銜接在一起，而這也使得蜻蜓成為了已知地球上捕獵成功率最高的掠食者，其成功率可以輕松超過90%（最高可達97%左右），而作為對比，即使是哺乳動物中的頂級倞食者——貓科動物，其捕獵成功率通常都不會超過50%。
那么，蜻蜓的飛行能力為什么會如此高超呢？雖然科學家研究多年，仍未完全搞清楚蜻蜓的秘密，但也不是完全沒有收獲，下面我們就來了解一下。 要理解蜻蜓的飛行，我們得先從它的“硬件”——翅膀和肌肉說起。在昆蟲世界里，飛行肌的驅(qū)動方式大概可以分成兩種。 其中的一種是間接驅(qū)動，比如蒼蠅和蜜蜂，它們的飛行肌長在胸腔里，通過擠壓胸腔的形變，來帶動翅膀大幅度、高頻率地振動，這種方式的特點是效率高，能達到極高的振翅頻率，發(fā)出“嗡嗡”聲。
而蜻蜓采用的則是直接驅(qū)動方式。它們的每一片翅膀根部，都直接連著好幾組獨立的肌肉，這意味著，蜻蜓就像裝了四臺獨立的發(fā)動機，分別控制著四片翅膀。這種方法使得蜻蜓可以精確控制每一片翅膀的扇動角度、幅度和頻率，進而賦予了蜻蜓高超的飛行能力。 例如當它們需要懸停時，前后兩對翅膀可以進入一種精妙的“反相”扇動模式，完美抵消前進或后退的力，穩(wěn)穩(wěn)地“釘”在空中，而通過讓所有翅膀同步運動，它們就能夠在指定方向上產(chǎn)生最大化的推力，這能夠讓它們在空中迅速轉(zhuǎn)向，進而實現(xiàn)精準而高效的急轉(zhuǎn)彎。 而當它們需要極速前進時，后翅的扇動會比前翅稍稍提前一點點，空氣動力學研究發(fā)現(xiàn)，在此過程中，其前翅下壓時產(chǎn)生的氣流渦旋，正好能被緊隨其后的后翅“接住”并加以利用，從而產(chǎn)生更強的推力，也更節(jié)省能量。
再看看蜻蜓翅膀的細節(jié)。它們的翅膀看起來薄如蟬翼，但放大來看，上面其實布滿了復雜的翅脈網(wǎng)絡，這些翅脈除了可以提供支撐作用之外，還讓蜻蜓的翅膀形成了一種獨特的“褶皺”表面。 在很長一段時間里，科學家都覺得這種凹凸不平的表面會增加飛行阻力，是個累贅，直到后來通過風洞實驗和計算機模擬才恍然大悟：原來這種褶皺結(jié)構(gòu)，也是蜻蜓飛行的秘密所在。
簡單來講，這些微小褶皺，會在翅膀表面“捕獲”一層薄薄的空氣，形成一個個微小的、穩(wěn)定的氣流渦旋，它們就像滾珠軸承一樣，讓上層的主氣流能夠更順滑地流過，即便在非常大的迎角下（也就是翅膀抬起的角度很大），也不容易失速，這使得蜻蜓能做出一些匪夷所思的機動動作，比如在高速飛行中突然“剎車”并拉升。 有意思的是，在蜻蜓翅膀的前緣末端，通常會有一個被稱為“翼眼”的加厚組織，它能夠有效抑制高速飛行中出現(xiàn)的“顫振”。后來，科學家從這一結(jié)構(gòu)中獲得靈感，在飛行器的機翼設計中也加入了類似的加厚區(qū)域，成功解決了困擾航空界很久的“顫振”問題。
（注：所謂“顫振”，是一種飛行器的機翼在空氣動力、彈性力和慣性力等多種因素共同作用下引起一種有害振動，隨著飛行速度的增加，其強度也會隨之增強，嚴重時甚至可能導致機翼直接斷裂） 講到這里，你可能會覺得，科學家們已經(jīng)把蜻蜓研究得差不多了，但實際情況卻并非如此。 舉個例子，當蜻蜓的翅膀用著復雜的相位差和角度變化進行高速扇動時，其周圍產(chǎn)生的氣流是極其混亂和不穩(wěn)定的，例如一片翅膀扇動產(chǎn)生的渦旋，會立刻影響到另一片翅膀，如此一來，蜻蜓在轉(zhuǎn)向、懸停、加速時，每一個瞬間的氣流狀態(tài)都會劇烈變化。
這種“非定常空氣動力學”，被認為是目前空氣動力學最令人頭疼的領域之一。我們設計飛機時，總是希望氣流是穩(wěn)定、可預測的，而蜻蜓，恰恰是駕馭這種混亂氣流的大師，它們似乎能夠?qū)崟r“感知”到翅膀表面每一個微小渦旋的變化，并瞬間調(diào)整肌肉輸出，來利用甚至放大這些渦旋的有利效應，同時抑制它們的負面影響。 蜻蜓是如何感知，又是如何計算并做出反應的？這其中的秘密，科學家至今仍未完全搞清楚，盡管超級計算機可以模擬出某一瞬間的流場，但要完整模擬蜻蜓在復雜機動中，其翅膀與瞬息萬變的流場之間的全部互動，依然是一個難以解決的問題。 科學家將其形象的比喻為：當前對于蜻蜓的研究進展，就好比是我們知道一臺電腦的硬件構(gòu)成，也知道它運行著一套很厲害的操作系統(tǒng)，但我們卻不清楚這套系統(tǒng)的源代碼是怎么寫的，它的算法邏輯又是什么。
總而言之，蜻蜓高超的飛行能力，的確配得上“飛行界的王者”這一稱號，而它們也因此成為了人類在研究飛行技術(shù)時最好的老師。就目前的情況來看，相關(guān)的研究仍在進行之中，期待在未來的日子里，我們能夠在這位老師那里學到更多，進而大幅提高人類飛行器的飛行能力。 |
|
|
