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第 204 話:貓頭鷹的飛行特技

2020/11/20閱讀時間約 4 分鐘
嘿美,就是你了!(ㄟ這台詞好像是別家的)
圖一:雪鴞超可愛!(來源:Pixabay)
「#哈利波特」系列裡面主角的信使貓頭鷹(雪鴞),是人氣很高的動物角色,除了全身白色十分漂亮之外,其實飛行的姿態也非常的優雅,「大受歡迎、親近主角又不是主角本身」的結果,就是會被作者拿來血祭,灑狗血的效果非常好…(幫嘿美QQ…望向隔壁棚,血流成河的「#冰與火之歌」…)
其實鳥類的飛行能力真的很厲害,不管是在都市還是叢林中,複雜的天空線往往隱藏了無數的空氣動力學陷阱,例如大廈之間經常因為氣流的通路突然變窄成為風口;就算是在高空中,也隨時會有亂流突然出現,有時候風速會急速升高,甚至比鳥類的飛行速度還快。如果是笨拙的人類碰到這種狀況通常是會很慘:例如以時速70公里騎著摩托車時,突然來一陣也是時速70公里的側風(輕度颱風的中心風速),大概十個有九個要「犁田」摔車,然而鳥類卻能夠輕鬆應對,到底是如何做到的,到現在我們還搞不清楚。
英國的皇家獸醫學院(Royal Veterinary College)以及布里斯托大學(University of Bristol)的研究團隊在實驗室中建立了模擬飛行場,用訓練過的一隻名叫「莉莉」(Lily)的貓頭鷹來做實驗,讓牠飛過長度約17公尺的通道,在其中長約3.5公尺的範圍內架設10部每秒拍攝1000張的高速攝影機,搭配動作捕捉系統追蹤貓頭鷹的頭上、身體、翼尖、尾尖上的標記,這這段攝影區內用風扇灌入秒速 3.1,4.5,以及 5.2 公尺三種不同強度的風,看看貓頭鷹對這些風如何反應。
經過高速攝影追跡並重建貓頭鷹的動作發現,真的是超厲害!即使在飛行途中突然被強風吹襲,貓頭鷹的頭部與身體幾乎是完全不動——這樣說好像怪怪的,因為牠在飛,應該說是頭與身體的姿態完全不變,就像被懸吊起來一樣,牠完全靠翅膀的動作對應,主要的動作有兩個:提高翼尖,風速越大翼尖越高,另一個是改變翅膀的俯仰角(pitch angle),風速越大時,翅膀的前端會越往下壓。在這個過程中,頭部與驅幹能穩穩的保持原來的姿態,除了來自於前述翅膀精妙的控制之外,翅膀的質量超過全身的10%,有足夠質量可以來平衡姿勢,相較之下,人類的上肢只佔全身質量的 5%。
研究團隊的領導者,皇家獸醫學院的Jorn Cheney表示,這種「翅膀只要做細微的姿勢調整就能對應強勁的風速」的機能,幾乎可說是內建在貓頭鷹翅膀的力學結構裡面,所以鳥類能夠很輕鬆的應對。這有點像是棒球打擊中的「甜蜜點」:以球棒的特定位置打中球的話,握棒的手幾乎感受不到撞擊的震動,球又能飛得很遠,是理想的擊球點(當然,這是個典型的力學問題)。貓頭鷹利用翅膀高度與角度的調整迎向風壓,讓身體因風力產生的震動降到最低。
實驗結果,a 圖為以電腦重建莉莉的飛行姿態,b 圖為標準化後之風力對時間的關係,c 圖為翼尖升高幅度,d 圖為翅膀俯仰角的變化。紅色、黃色、綠色分別代表強、中、弱的風速(來源:Proceedings of the Royal Society B)
他們接下來的研究課題是,將從鳥類翅膀機構與動作所得到的啟發,應用於小型飛行器的懸吊系統之上。
這個研究於 10 月 21 日發表於英國「皇家學會期刊B」(Proceedings of the Royal Society B)。
早期人類想像的飛行機器,都是向鳥類取經,現在的飛機則是不拍翅膀,純粹靠空氣動力學,不過接下來的發展,說不定又會向鳥類學習喔(來源:達文西/維基百科)
Proceedings of the Royal Society B論文:https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2020.1748
影片(布里斯托大學提供):https://youtu.be/aFXwI4-NRz8
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