給鳥兒戴護目鏡?科學家們吃太飽了?

本文來自中國科普博覽大家族

科學大院(ID:kexuedayuan)

自然界沒有鳥帶護目鏡,它們壓根就不需要額外設備在飛行中防風沙,因為它們眼睛上有一個叫瞬膜的器官,簡單來說就是「第三眼瞼」,在高速飛行過程中有保護眼球的作用。

那層半透明的就是瞬膜

那層半透明的就是瞬膜

(圖源:pinterest)

但今天,我們不是帶大家了解鳥的瞬膜,而是介紹一隻真的戴著護目鏡的鳥。當然,眼鏡不是鳥自己戴的,而是科學家給它戴上的。

科學家為什麼給它戴護目鏡呢?鳥有瞬膜,戴護目鏡豈不是瞧不起鳥兒自身的本領嗎?如果你想要知道真相,就接著看下去吧!

Part.1

如何馴服一隻鳥帶上護目鏡?

這隻被科學家戴上護目鏡的鳥名叫歐比,一隻來自史丹佛大學的太平洋鸚哥(Forpus coelestis)

戴護目鏡的太平洋鸚哥

戴護目鏡的太平洋鸚哥

(圖源:Eric Gutierrez)

科學家給它戴上的是一個3D列印定製的護目鏡,鏡片的材質很普通——聚碳酸酯,可以防鐳射的直射。在此之前,從沒有人專門給鳥造過護目鏡,因此製作過程就是一個試錯的過程,經過大量的嘗試,科學家終於讓鏡片的厚度和重量達到了最合適的情況。

專門定製的護目鏡

專門定製的護目鏡

(圖源:文獻1)

科學家們原本找來了三隻太平洋鸚哥來戴護目鏡,但只有一隻適應了,正是歐比。他們花了好幾個月的時間,天天餵它吃新鮮西藍花和種子,才讓它老實戴上護目鏡。

圖源:Eric Gutierrez

圖源:Eric Gutierrez

費了那麼大力氣,科學家肯定不只是想看看鳥帶護目鏡飛行有什麼反應,要是實驗目的真那麼簡單,估計科學家申請的經費都下不來。那真實原因到底是什麼呢?咱們不妨繼續往下看。

戴著護目鏡飛行的歐比

戴著護目鏡飛行的歐比

(圖源:Eric Gutierrez)

Part.2

給鳥兒帶護目鏡的真相

前面提到,護目鏡對歐比來說有一個重要的作用——防鐳射。太亮的光照到眼睛會造成損害,更何況能量密度極高的鐳射,當鐳射以極小的照射面積射到眼球上時,高能量就會讓眼球組織的溫度急劇升高,致使眼球被灼傷。即便有瞬膜保護的鳥兒,都無法避免鐳射直射眼睛的損害。

訓練過程

訓練過程

(圖源:Eric Gutierrez)

那為什麼要用到鐳射?因為科學家想要做的實驗需要用到鐳射,所以才給實驗對象歐比戴上護目鏡。而實驗研究便是關於鳥在飛行拍打翅膀的過程中,產生渦流和升力的問題。

研究原理

研究原理

(圖源:文獻1)

對於固定機翼的飛機來說,下翼面的壓強比上翼面高,在上、下翼面壓強差的作用下,下翼面的氣流就繞過翼尖流向上翼面。由於上、下翼面氣流在後緣處具有不同的流向,於是就形成渦流。而機翼上產生的升力越多,渦流也就越強。這就是渦升力。

一般做流體力學的研究,就得觀察記錄下流體的變化過程。想要記錄下空氣的流體變化,就得用上鐳射。

在鐳射中飛行的歐比

在鐳射中飛行的歐比

(圖源:Eric Gutierrez)

但光有鐳射是不夠的,還得在歐比飛行空中噴一些氣溶膠液體,模擬空中的一層薄霧,這樣才能將空氣的流動展現出來。

如果沒有氣溶膠,鐳射會直接穿透空氣,不會發生折射,也不會發生反射,自然不能展現空氣的流動變化,鐳射輻照就照了個寂寞。

在霧氣中飛行的歐比,通過鐳射可以看到流體的變化

(圖源:Eric Gutierrez)

你可以看到,在歐比振翅的過程中會產生渦流,類似於飛機產生的渦流。

不過和固定機翼的飛機產生的渦流不一樣的地方是,前者的比後者的不穩定,一下就「碎」了。飛機產生的渦流要在飛機飛遠後才碎,而鳥的則是飛出去拍打翅膀不到3下就碎了。

很明顯,鳥的振翅產生的渦流比飛機產生渦流複雜的多。

振翅過程中的產生的渦流

振翅過程中的產生的渦流

(圖源:文獻1)

知道了鳥在振翅中產生的渦流變化,便可以通過翅膀運動學方程、空氣動力學模型、姿態運動學方程以及質心的動力學方程等建立模型,然後分析飛行過程中不同時刻的升力和阻力,最終了解鳥兒振翅是如何穩定飛行的……

當然這只是理想情況,因為這位科學家到最後還是沒搞懂渦流的變化規律(也不可能這麼簡單),只是提出了一個解決問題的構思,並通過給鳥戴上護目鏡嘗試研究……

不過,隨著科學技術的成熟,也許在不遠的將來,我們真能設計出大型的振翅飛行器。

對了,為了解決護目鏡起霧的問題,科學家在鏡片內側塗了薄薄一層剃鬚膏,很有用,也許你可以在你眼鏡上試試。

(有用的知識 get了√)

參考文獻:

[1] Gutierrez E, Quinn D B, Chin D D, et al. Lift calculations based on accepted wake models for animal flight are inconsistent and sensitive to vortex dynamics[J]. Bioinspiration & biomimetics, 2016, 12(1): 016004.

[2] https://qa.1r1g.cn/aviation/ask/1474861/

[3]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BF%BC%E5%B0%96%E6%B8%A6%E6%B5%81

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