对天空的幻想人皆有之,以前常常梦见自己飘浮在空中,双脚离地,望着脚下伙伴惊奇的双眼。
也时常梦见巨大的星球印在空中,在橘黄色的背景下散发着巨大引力,带领自己飞向宇宙。
可惜的是,还没过把瘾,总是醒了。这个时候,就会很想去宇宙逛一逛、去蓝天飞一飞。
但是宇宙太远了,不如先飞上蓝天。
想必大家都知道,要像鸟类一样飞行,就必须要有羽毛。羽毛是鸟类飞行的必备条件之一,也是第一个出现的与飞行有关的结构。最早的鸟,如始祖鸟,人们就是根据化石残存的羽毛痕迹,推断它具有飞行能力的。
掉毛的凤凰不如鸡,少了羽毛,再神通广大,鸟类也是飞不起来的。(如果有蝙蝠那样的飞膜也可以,本文只讨论羽毛。)那么,假设自己符合所有飞行条件,只剩下羽毛没装好,是否只需要在全身插满羽毛就能飞翔呢?
——这个是需要仔细思考的事情。
始祖鸟化石,右下可见羽毛痕迹。
在装羽毛之前,我需要仔细考虑羽毛的功能、结构、以及位置等等。
结构与功能相适应,所以要选择适合飞行的羽毛。
是的,不是所有羽毛都适合飞翔。我们所知的羽毛,也就是鸟羽,根据结构和功能,可以分为正羽、绒羽、纤羽三种,它们分别擅长飞行、保温、触觉。
正羽 (A, B)、绒羽 (C)、纤羽(D)
正羽适合飞行,它长在鸟类身体的最外层,有很强的保护功能(包括防水);尤其是翅膀和尾巴的正羽,更强有力,对飞行和平衡起主要作用。
相对于其他两种类型,正羽的特点之一就是羽片面积相对更大。大的羽片能保证有足够的面积给空气施加向下的力,并更好产生向上的升力。而另外两种类型的羽毛无法做到这点。就好比扇子,同样的扇动频率,大扇子带来的风总比小扇子要强。
不过要扇起风,羽毛也不能是软趴趴的。所以正羽也具有很好的弹性,能很好抵抗飞行时的气流冲击。而且就算羽片破损了,也能够及时修复。否则羽片产生破洞后,破损处气体流通量增大,很容易将升力抵消。而羽片的弹性和修复力,得益于羽小支上的钩突——羽小钩。
正羽分为羽轴和羽片两部分。羽轴上段具有羽片的地方,叫羽支;羽支上着生羽小支;所有的羽小支构成羽片。
羽小钩让能相邻的羽小支互相钩连,构成坚实且富有弹性的羽片。一旦羽片破损了,羽小钩会钩结到下一个最近羽小支的钩突上,将破损处分割,阻碍气体的通过。虽然羽片接触面仍然减少了,但也足以缓解升力的减弱。
绒羽不适合用于飞行,它比较蓬松。这是因为绒羽不具有发达的羽小钩,羽小支不能很好钩连在一起。尽管绒羽的面积较大,但它的每个羽小枝是分散的,摆动时对空气施加的力并不是同一方向。整体而言,不同方向的力容易被抵消,难以制造一致向上的升力。因此绒羽不适合为飞行提供升力。纤羽更不必多说,没有足够的面积显然难以给飞行带来力的作用。
所以我首先要做的事,便是选择适合飞行的正羽。然后模仿鸟类的翅膀,在整个手部插满羽毛。
好了,现在我拥有了一双翅膀,像天使一样。不过区别在于,我的“手”不见了。
整个手插满羽毛后大概是这样子,白色好看。
X战警中,天使的翅膀是背部长出来的。而鸟类的翅膀就是所谓的“手”。
问题不大,可只有翅膀还不够用,会飞得比较费力。想更快速飞向蓝天,翅膀上羽毛组成的形状也是要考虑的。此外,我也需要更多的羽毛,要足以覆盖躯体。这些覆盖躯体(包括翅膀的)羽毛构成我的羽衣,它以及翅膀羽毛组成的形状,能让身体呈流线型。
流线型的体型在空气中的运动阻力最小;同时也能在飞行时产生压力差,提供额外的升力。
流线型的翅膀能带来额外升力,是因为翅膀上下方气体流速不同的原因。——在翅膀前后两点的直线距离相等的情况下,上面的空气走过的路线更长,流速会更快。而更快的气流会降低气压,结果便是下方的气压大于上方的气压,产生压力差,起到托起翅膀的作用。(流速差异带来的压强差就是著名的伯努利原理。)
伯努利原理示意图。
当然,不让身体呈流线型也能飞,就是阻力相对增大,会很吃力。这样我需要增加翅膀的扇动频率来提供升力,很难像一些鸟类一样长时间不动翅膀就能滑翔。(——不能滑翔的飞行没有灵魂,都不能悠哉看风景了。)
不难想到,要像鸟儿一样利用体型减少阻力、制造升力,身体得保持在水平方向。如果身体竖直飞行,就感受不到空气浮力带来的便捷了,飞行阻力也会相应增大。也出于降低阻力的原因,许多飞行器的机体是水平的(也是流线型的)。
鸟类和飞机的翅膀比对,流线型能提供向上的升力。
但在科幻场景里,飞行器是可以竖着飞的...虽然也是流线型...
看起来流线型身体挺好的,但也不能单纯在身上插满羽毛(正羽)就试飞。这样反而增加了飞行难度,事倍功半。
即使是鸟类,在被羽毛重重包裹的躯干之下,也有寸羽不生的地方,这个地方是鸟类的裸区。相对的,其他长有羽毛的地方,是它的羽区。羽毛这样的着生方式,一方面不会限制皮肤下的肌肉收缩,另一方面也减少了不必要的重量。(ps.平胸总目如鸵鸟,不会飞,羽毛均匀分布,不存在裸区。)
因此可以用更少的羽毛,达到更好的飞行效果。在羽毛足以覆盖身体的前提下,可尽量避开较为灵活或者强壮的区域,能让飞行更具机动性。
鸟类皮肤的羽区和裸区。
问题来了,如果单纯扇动翅膀,也只能向上或前后飞行,我还要转向、盘旋,该怎么办呢?
靠翅膀转动来控制方向可以吧?不行。一个原因是由于飞行时,翅膀受到大面积的空气阻力,很难以肩为轴转动;而且转动带来额外的阻力会增大,在飞行速度较快的情况下,速度骤降对肩部带来的冲击力是不小的。
但对鸟类来讲,它们的肩带有愈合现象,比较稳固,几乎不能以肩为轴转动。
那依靠身体转动可以吧?可以,通过身体转动改变整体的受力方向,能做到各种角度的转向。如果将身体由水平转为竖直方向,阻力增大还可以做到快速降落。
通过改变身体受力倾角,可以做到转向或盘旋
身体由水平转为竖直,提供缓冲。
因此靠着身体转动,我飞行的灵活度就能提高。可是,总觉得在飞行转向上还少了什么……
对,仔细观察上面两张图,会发现有个结构一直没有提及——尾羽。
尾羽是鸟类飞行重要的平衡结构,呈扇状,在飞行中起着舵的作用。可以看出,有些鸟类尾羽的受力面积和身体差不多,甚至更大。由于真正的鸟尾骨已经退化,所以尾羽就是鸟类的尾巴了,这样的结构既减轻了重量,又能有足够大的面积和足够强的韧性来起到平衡作用。
尾羽相对能更轻松改变与空气的受力角度,配合身体的转动,就能轻松转向。所以要做到灵活飞行,尾羽必不可少,我还得给自己装上鸟类一样的尾羽。
不过适合我的尾羽还得大一点,麻雀的尾羽就有点小了,虽然功能一样。
雄孔雀的尾羽就是用来炫耀的了,不用它不用它...
到此为止,羽毛的功能、结构、以及位置的问题差不多解决了。首先就是要选择适合飞行的正羽,接着装配在手臂上,变成鸟类一样的翅膀,并调整好位置,让翅膀变成流线型。然后在身上不太灵活和发力不强的区域披上羽毛,也让身体呈流线型,前提是羽毛尽量覆盖躯体。最后就是尾羽了,将合适大小的尾羽装在腿上。——嗯,完工。
应该没有问题了吧?貌似没了。
那好!向着蓝天,启程!
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