大雁何以“人”字飞行?

时间:2024-12-01 21:26:04

关于大雁(野鹅)为何“人”字飞行,最为流行的解释是:以此队形飞行,每只大雁扇动的翅尖都能卷起气旋,使身旁的同伴获得少许升力,最终,队中每只大雁都能受益。

如果单为了飞行效能,大雁何不“人”字并排,每只雁都紧挨同伴岂非更好?通过空气动力学的演算可以得知:最少9只鸟“人”字并排飞行,就能多飞行50%的距离。而“人”字队形会带来一定的收益不均:领头的大雁获益较少,越靠后的获益越多。这种不均衡兴许正是大雁形成如此队形的原因。

有些专家就认为,大雁“人”字飞行有其社会原因,这样的队形很利于彼此关照。但考虑到可以有多种方式维系队伍的团结,“人”字队形恐怕主要还是出于动力方面的考虑。

“人”字形的结构也比较牢固:如果某只雁飞得过快而脱离了队形,它将失去助力,速度自然减慢而回归队形;要是某只雁飞得较慢,落到了方伍的后方,由于后队获益较大,它得到了更多的助力,便会加快飞行,冲回合适的位置。

大雁何以“人”字飞行?

知乎。.....战斗机飞行员以“人”字队形飞行时,也能感到类似的助力。紧贴前机飞行的后机可以节省多达18%的燃料。

在排列队形时,位置至为关键。由于大雁扇动翅膀时,除了在翼梢附近形成上升气旋外,在翅膀的下部也会同时产生下沉气流,非常不利于飞行,所以要尽量避开那里。为了达到最佳效果,大雁的“人”字队形呈100度的倾角,大至相当于你尽量张开手掌时大拇指与小指之间的夹角度数。

长久以来,“人”字队形更省劲,便是尽人皆知的常识。但在20世纪70年代与80年代间,一小群执着的博物学家决心分析大雁队形的间距问题。他们在深秋时节长久地蹲守于寒冷的野外,望眼欲穿地盼望某队大雁刚巧飞过头顶,他们好借机拍到合适的照片,得以测量翼间的距离和角度。让大雁在规定的时间飞到特定的地方,可不是件容易事。好在研究者还是得到了想要的照片,但如何依照照片计算距离,却很是棘手,并引发了争论。

正当他们绞尽脑汁时,不断有新理论冒出来。其中一种假说提出,“人”字队形中的角度并不很重要,翅梢间的位置则更为关键,后鸟的翅尖应该直接与前鸟的翅尖对齐。研究者于是重新比照相片,发现相片上鸟的位置确实如其所言。所以也许关键真的在于翅尖的排列,而非“人”字队形的角度。但仍有一个问题令人困惑不解,“人”字队形往往并不对称,一边鸟的数量总要多于另一边,这又是为什么呢?

当两个不同领域的研究团队彼此交流之后,研究有了突破性进展。其中一队是研究飞行动力学的欧洲科学家,另一队是些动物保护者,保护对象是一种名为北方秃头朱鹮的珍稀鸟类。

大雁何以“人”字飞行?

野生秃头朱鹭在17世纪便在欧洲绝迹了,奥地利的动物保护者引入幼鸟,进行人工饲养,随后尝试用超轻型飞行器引导这些鸟按照祖先的路线迁徙。这套办法几乎同“大雁之父”比尔·李希曼(Bill Lishman)在20世纪80年代到90年代的实验完全相同,不过他当时训练的先是大雁,后是美洲鹤,随后用飞行器引领它们进行迁徙。他的事迹后来被改编成了电影《伴你高飞》(Fly Away Home)。

话说动物保护者与科学家成了新搭档,机会一下就来了。先前,科学家们有个麻烦:他们给鸟佩戴了仪器,用来记录方位和鸟扇翅膀的数据,但只有能控制了鸟的着陆点,那些仪器才能正常工作。如何让鸟知道该落到哪呢?动物保护者的加入让这一难题迎刃而解。他们能够引导鸟群,让小朱鹭落在科学家指定的地点,以便科学家在每个降落点收集数据。

采集到的数据是价值连城的,它们显示:“人”字队形中的每只朱鹭都保持着相同的距离。不仅如此,鸟们翅膀扇动得也极度合拍,恰能给后面的鸟提供最大的升力。一个研究者将此比喻为:如同穿越雪地的队伍,后人完全踩着前人的脚印。这种效能最大化的节奏,鸟群做起来浑然天成。

更让人吃惊的是,鸟群在转换队形时呈现出的适应能力。朱鹭并不按固定的“人”字形飞行,有时它们会飞成单行,此队形会令后鸟撞上前鸟双翼搅起的下压气流,因而不利于飞行。但此时所有的鸟都会自动调整扇翅的节奏,前后鸟翅膀的扇动方向正好相反,前鸟双翅上扬时,后鸟两翼下挥,这样便能缓解不利气流的干扰。

由于鸟是人工饲养的,没有成年的朱鹭教它们怎样“人”字飞行。有趣的是,它们竟无师自通,似乎只要飞起来,节约能量的本能就会自然而然地安排好它们的位置和节奏。

因此,如果“人”字队形能大大的省劲,鸟们又何乐而不为呢?依据空气动力学理论,大型鸟的双翅可以搅起更大的气旋,因而彼此获益更大。麻雀就没那么幸运了,为了不放过哪怕一点点儿省力的机会,它们飞起来都贴得特别近。好在它们不在乎扎堆。

历史迷雾

为何霸王龙的胳膊如此短?

霸王龙并不是最大的肉食恐龙,就我们所知,那样的荣耀要归于住在沼泽地里、样子古怪的棘背龙。即使在梦幻世界里,霸王龙也不算最硕大凶狠的主儿,《侏罗纪公园》里的特效怪兽“暴虐龙”才堪当王霸。但管它呢,它是不是史上第一巨无霸有何干系,只有霸王龙才是白垩纪的王者。此外,我倒要问,还有哪种恐龙值得一支名为“暴龙乐队”(T. Rex)

大雁何以“人”字飞行?

摇滚乐队以它命名。

霸王龙平均身长12米,臀宽4米,重7吨。要长到那么大,从14岁到18岁,小恐龙会经历一个疯长期,每年增重600公斤。即使硕大如此,霸王龙仍能以每小时近30公里的速度狂奔,着实是个凶悍的猎手。它的咬力骇人,为鳄鱼的十倍,乃已知的世界之最。但霸王龙的一个体貌特点始终令科学家困惑:它们的前肢如此细小。

一只成年霸王龙的前肢仅有一米长,与篮球运动员的臂展相近。美国古生物学家亨利·费尔费尔德·奥斯本(Henry Fairfield Osborn)在1905年谈到首次发现的霸王龙骨骼化石,当时只找到了上臂骨(肱骨),奥斯本借此想象霸王龙有长臂和三指。完整的霸王龙前肢化石直到1989年才被发现,就此肯定了研究界长久以来的推测:霸王龙的前臂短得可笑,甚至都够不到自己的嘴。

大雁何以“人”字飞行?

疑问马上来了,为什么要长这么两条小胳膊?有人不以为然,认为那是进化的残余,从较小的肉食动物进化成霸王龙时,其前臂不断萎缩成了残肢。但问题在于:尽管霸王龙的前肢极短,肌肉却超级发达。何以见得呢?一方面可以从化石推断,另一方面可以制作出霸王龙前臂的数学模型,将已知条件带入其中,计算出力量的数值。两种方法都得出了相同的结论:霸王龙的前臂强且迅捷。

其实,言其前肢肌肉发达,还颇有贬低之嫌。以骨骼来判断,它们前肢的肌肉厚度至少是人类的3倍,且面积巨大,又有强劲筋腱连接,胳膊的整体粗壮度不亚于人的大腿。二头肌连接小臂的附着点远比人类的靠下,增加了霸王龙手臂的杠杆效应,再加上发达的肌肉群与巨大的肩膀,都使得它单臂就能举起近200公斤的重物。果真造物是要逐渐萎缩它们的手臂,何以令其强健若此?霸王龙的胳膊还定有用途。

试试看:向前伸直手臂,然后屈臂摸自己的肩膀,此动作令你的肘部转动165度。而做同样的动作,霸王龙只需转动45度,且动作极其轻微,简直像是在放松。

奥斯本怀疑霸王龙胳膊上的肌肉没准同交配有关,但考虑到他连胳膊的长度都搞错了,他的说法也无须当真。那么,这些短得可笑却强得可怕的胳膊到底作何用途呢?一些科学家以短臂为据,认为霸王龙不能跑得太快。一旦霸王龙跌倒,如此短的胳膊将无从支撑,重重一摔定然是致命的:考虑到它的体重,它砸向地面时将承受6倍重力,定然骨折筋断。但参考其他的动物,这一理论也很可疑。长颈鹿能以每小时50公里的速度飞奔,如果摔倒了,恐怕也要断了腿;鸵鸟跑得更快,而且也都没有手臂支撑。那么有什么理由认为霸王龙应该有所顾忌呢?

大雁何以“人”字飞行?

我最欣赏古生物学家巴尼·纽曼(Barney Newman)在1970年提出的看法。他构想了霸王龙休息时的姿态:脸朝下趴倒,下巴着地。那么它怎么起身呢?硕大的后腿固然力道十足,可假使没有反作用力帮忙,它就会肚皮蹭地向前滑。所以,纽曼认为恐龙首先要做的是前爪扣紧地面,一个俯卧撑将自己弹起。那也许会让它身体前后摇摆一番,但最终会用后腿站稳。

纽曼的观点既没被反驳也没能流行,如今流行的观点多集中强调,霸王龙的小号胳膊其用途应与进食有关。有证据显示它们的胳膊常要应对危险的局面,因为出土的许多霸王龙前臂骨都残损、破裂与折断,显然承受了巨大的外力。要是这些前臂只用于支撑身体,实在看不出为何会受到如此损害。不过也很难想象:霸王龙用短粗的胳膊架住一头庞大的三角龙,瞅准机会用它巨大的下巴一击致命。

霸王龙到底是无敌的猎手?还是庞大的腐食动物?或者是恐龙时代超大块头的秃鹫?一直以来都有争议。不过,猎手的看法逐渐占了上风。

据加拿大古生物学家菲尔·柯里(Phil Currie)的研究,霸王龙像狼一般,为群体狩猎者。最有力的证据是霸王龙的大脑为其他恐龙的3倍,这正符合群猎的要求:足够机灵以使多方行动协调一致。另外,加拿大不列颠哥伦比亚省发现了一系列多只恐龙一起行走的足迹,它们或是霸王龙,或为其近亲,这些都成了有力的证据。

即使霸王龙挺机灵,也还是很有限的。三角龙的头上不仅有三只角,还有向上弯曲的骨板护甲。曾出土过一具著名的三角龙化石,头上的一只角已折断,部分骨板也被咬碎,霸王龙是唯一可能的行凶者。面对一头大象般身材的猛兽,其头部护甲森严、武备犀利,霸王龙竟贸然正面强攻,岂智者所为?其不智甚矣。

你也许会想:拜20年前电影《侏罗纪公园》所赐,人们头脑中的霸王龙一定是活灵活现的,尤其是那些痴迷恐龙的儿童。其实不然。康奈尔大学有个研究组,由3名教育家组成,他们在大学与中小学进行了测试,想弄清学生们对霸王龙的姿态究竟了解多少。当1905年霸王龙首次公之于众时,它被描绘的样子是:后腿直立,巨大的尾巴拖在地上(见展品一)。

大雁何以“人”字飞行?

不用说,那是搞错了。科学家们在深入研究之后,发现尾巴拖地毫无道理,况且没有任何化石痕迹证明,像霸王龙这般的食肉恐龙会尾巴拖地。而且,直立的姿态会损害霸王龙的某些关节,比如髋关节。于是,人们开始认为霸王龙是平行地面行走的,它的头前伸,尾巴笔直向后,走动时有些大摇大摆,迈腿时尾巴左右晃动以平衡巨大的身躯。(见展品二)。

大雁何以“人”字飞行?

电影《侏罗纪公园》里的霸王龙便是这副仪态(顺便提一句,霸王龙并不生活在侏罗纪,而是在白垩纪)。电影于1993年上映,鉴于它的流行程度,此后的整整一代人理应对霸王龙的站姿有了正确的认识。但康奈尔的调查结果却令人大跌眼镜。在调查中,研究者请111名学生画出霸王龙的站姿,在所有的草图中,霸王龙的脊椎与地面的夹角平均超过了45度,非常接近1905年的水平,而与当代的零度角概念相去甚远。

这实在令人难以置信:天下最著名的恐龙,在戏剧性地俯下龙躯之后,它最铁杆的粉丝们竟视而不见!这真叫人哭笑不得。