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蜻蜓,飛行界的王者,科學家研究多年,仍未完全搞清楚蜻蜓的秘密

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地球上能夠飛行的動物為數眾多,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定。



然后就是它們那堪比頂級跑車的瞬間爆發力。一只靜止的蜻蜓,可以在不到一秒的時間內,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、急停急轉、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,飛行肌的驅動方式大概可以分成兩種。

其中的一種是間接驅動,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,發出“嗡嗡”聲。



而蜻蜓采用的則是直接驅動方式。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,穩穩地“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生最大化的推力,這能夠讓它們在空中迅速轉向,進而實現精準而高效的急彎。

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,空氣動力學研究發現,在此過程中,其前翅下壓時產生的氣流渦旋,正好能被緊隨其后的后翅“接住”并加以利用,從而產生更強的推力,也更節省能量。



再看看蜻蜓翅膀的細節。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:原來這種褶皺結構,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的“顫振”。后來,科學家從這一結構中獲得靈感,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,其周圍產生的氣流是極其混亂和不穩定的,例如一片翅膀扇動產生的渦旋,會立刻影響到另一片翅膀,如此一來,蜻蜓在轉向、懸停、加速時,每一個瞬間的氣流狀態都會劇烈變化。



這種“非定??諝鈩恿W”,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,它們似乎能夠實時“感知”到翅膀表面每一個微小渦旋的變化,并瞬間調整肌肉輸出,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成,也知道它運行著一套很厲害的操作系統,但我們卻不清楚這套系統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時最好的老師。就目前的情況來看,相關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。

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