信天翁教你飛得更久

哪種鳥，被認為是動物界最有效率的旅行者之一，可以在一天內飛行800千米，僅需要偶爾扇動一下它們的大翅膀?沒錯，答案就是信天翁。

向馬拉松式飛行能手學習

信天翁是一種非常大的海鳥，其中漂泊信天翁是體型最大的一種信天翁，其翼展平均可達3.1米，也是現存鳥類中翼展最大的。它能在一次旅程中飛行1.6萬千米。人們不禁要問：它們為什麼能完成如此長距離的飛行?

原來，巨大的翼展賦予它乘風滑翔的能力，其飛行軌跡就像一架雲霄飛車的路線，它反覆在空中向上攀升和向下滑翔——這是一種被稱為動力翱翔的飛行技巧。這種情況下鳥兒只需把翅膀伸展開來，就可以停留在空中。

由於漂泊信天翁生活在並不出名的南冰洋，人們要到達那裡非常困難，需經歷各種大風大浪。但該地區對於了解氣候變化又非常重要。若有了能夠利用風能的機器人，就可以實時監測並得到比現在更密集的數據。所以有科學家開始把目光投向信天翁，希望能從它的身上學到具體最佳的長途飛行模式。

模擬信天翁的飛行模式

著名的英國物理學家瑞利勛爵是第一個通過數學建模描述動力翱翔的人，他預測信天翁會飛出一系列呈180度半圓形的弧線軌跡，因為它們需要迎風攀升，然後俯衝到低風層，以獲得飛行的動力。即使在今天，這也是一種普遍的解釋。

然而最近，美國麻省理工學院的科學家們開發出一種新的模型來模擬動力翱翔，卻得出了一個截然不同的結論。該團隊首先對風場進行建模，繪製了一個相對簡單的方程，由於隨著高度不同，風的速度也不同，因而會形成不同的層。所以他們特別注意一層慢風和一層快風之間的距離，這個距離稱之為剪切層的厚度。

然後他們用一個三維模型來代表信天翁或滑翔機的飛行，他們發現，在較薄的剪切層，鳥只需較少的風即可保持空中的飛行。換句話說，慢風層和快風層越近，信天翁在空中停留所需的能量就越少。

信天翁先是飛到快風層，藉助風力進行滑翔，這時重力會使它不斷降低高度。當它落入風速較為緩和的慢風區後，它就要調整身體，依靠慣性朝上攀升，再次進入快風區，然後進行下一個飛行循環。研究人員的模擬發現，它這一上一下形成的飛行弧度如果是淺弧形時，它的飛行效率會更高。雖然若是半圓弧形時它在下落時會獲得較大的飛行速度，但是緊接著上升時也更難攀升。採取淺弧形的飛行軌跡會更有利於它節省體力。

該團隊計算出最節能的飛行軌跡是在極淺的弧線上飛行，為了確定這些模擬結果是否符合實際，他們將其與GPS記錄儀中所記錄的信天翁飛行軌跡進行了比較。這些記錄顯示，這些鳥兒的飛行軌跡平均為60度左右的淺弧形，確實比大多數科學家認為的180度要淺得多。

所以，如果想設計出使用風能的機器人，沿著淺弧線前進，既有利於旅行速度，也有利於高效的能量獲取。事實證明，信天翁就是這麼做的。

翅膀的顏色也很關鍵

另一方面，美國新墨西哥州立大學的一個航空航天工程師團隊在試圖改進海軍陸戰隊的無人機設計時，無意中注意到像信天翁一樣的大型海鳥，大多都是翅膀上方是黑色羽毛，而下方則是白色的，科學家相信，它有這樣的選擇必然有它的道理。

其實這種上黑下白的翅膀顏色科學家們之前早就注意到了，只是鳥類學家認為這種顏色圖案是一種偽裝，白色能更好地與天空融為一體，這樣就減少了地面上的捕食者發現這些翱翔鳥兒的幾率。不過這個研究團隊懷疑事情並沒有那麼簡單，他們推測，這種顏色模式可能對海鳥的滑翔飛行也大有益處。

於是，他們研究了陽光和翅膀表面的顏色是如何相互影響的。結果發現黑色的上翼面比白色上翼面更能吸收陽光，事實上，黑色的上翼面與白色的下翼面相比會有高達10℃的溫差。溫度越高，空氣流速越快，所以壓力變小。因此產生了額外的升力。這對於這些大型海鳥來說，特別是在進行長距離飛行的時候，會減少能量的消耗，因而使它們具有更好的飛行耐力。

在無人駕駛飛行器上的模擬表明，黑色確實可以減少飛行的阻力，這些更適合於無人機，而不是飛機，因為無人機的大小更接近候鳥。減阻意味著更少的燃料消耗，這也意味著電池可以持續更長的時間，這可以使無人機可以執行更長的、不間斷的任務，幾乎就像一隻能夠輕鬆在地球兩端翱翔的信天翁。

這兩個研究小組的成果都可能會對無人機的未來產生重大影響。相信不久的將來，我們會看到可以比肩，甚至是超越信天翁的風力驅動無人機，在全球偏遠地區替我們執行長時間的遠程監測任務。

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