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  “秋天到了,天气凉了,一行大雁往南飞,一会儿排成‘人‘字形,一会儿排成‘一‘字形。”秋天一凉,你的耳畔,可曾隐约响起小学语文课堂里那富有磁性的录音?

  不过,对于大雁,最直接的疑问必然是,大雁南飞为啥非要排成“人”字形或者“一”字形,而不是N形和B形,或者其他更具想象力的阵型呢?

  【雪雁(Anser caerulescens)组成一字形和人字形编队飞行,会有多少人误认为,“一”字形是并排或是排成一支队伍的形式......图片来自flickr.com】

人字形编队,省体力?

  在现有的大雁人字形编队说法中,“节省体力”的解释流传最广。事实上,这个解释还停留在假说阶段。目前为止,科学家还没有确凿的证据来支持它。

  很早以前,人类就已经开始观察到,大型鸟类通常选择人字形或者一字形的线形阵,而小形鸟类则往往聚成一团。不过,对大型鸟类编队飞行奥秘的科学探索,还要追溯到二十世纪初莱特兄弟刚刚开启航空时代的岁月。1914年,德国的空气动力学家卡尔 魏斯伯格(Carl Wieselsberger)经过简单计算后首次提出大雁飞人字形可以节省能量这一假说。他认为,大雁翅膀扇动会引发尾流的涡旋,而涡旋的外侧正好是向上的气流。如果相邻的大雁刚好处在上升气漩里,那么他们的飞行就会大大省力。

  【选取俯视或正视角,可以看到鸟儿扇动翅膀形成的气流产生一个水平的气漩,有上升也有下降,后来者如果位于上升气漩中,那就能够借助这股抬升力飞行了。图片来自lifeomics.com】

  这个假说从诞生那天起,就受到了鸟类学家的欢迎,但是真正对它定量计算却是在几十年以后。1970年,里萨满(Lissaman)和斯科伦伯格(Schollenberger)利用日臻成熟的空气动力学理论首次给出了一个估算。他们发现,与单个大雁相比,一个由25只大雁组成的人字形编队可以多飞71%的航程。他们还得出,最佳的人字形夹角为120度。这个研究结果是如此的激动人心,以至于如今的成功学和领导学教材上已经充斥这个结论,用来说明领导是多么伟大,而团队工作是多么有效率。

  难道说,大雁组队飞行Pose摆法的问题就要这样盖棺定论了?

  且慢!在里萨满和斯科伦伯格的研究中,他们并未给出具体的计算公式和计算过程。而他们采用的模形也过于简化:先是假设这些鸟不扇动翅膀,而是像固定翼飞机一样僵硬;同时也没有考虑光滑的机翼和毛茸茸的翅膀之间的区别。此后,一批更深入的理论研究证明,大雁编队飞行的能量利用率远没有文章中提到的那样高。不管此类工作如何细致,模型如何复杂,严谨的科学家们还是批评这些理论计算过于理想化。光凭理论计算,似乎无法博得人们的青睐。

  【固定翼飞机的尾流里,外侧的确是上升气流,不过鸟儿们飞行时候的气流模型,可就复杂多了。图片来自sciencebuddies.org】

省力与否,假说VS实证

  理论计算行不通,科学家们开始另辟蹊径,研究实地观测数据中人字形夹角的度数。他们认为,如果空气动力学优势是大雁选择人字形或者一字形的唯一理由的话,那么大雁在大多数时间都应该保证人字形的夹角处于最佳或者某一个固定的数字附近,而且要避免飞成一字形,因为对称的尾迹里,一边的上升气流就会被浪费掉。但是,现实再一次无情的打击了这一假设。雷达和光学跟踪研究发现,大型鸟类飞行的人字形夹角在24度到122度范围内诡谲多变,而且飞行中还会大幅度变换角度。最让人费解的是,只有20%的飞行时间里,他们才会选择人字形,而大多数时候一字长蛇阵更受欢迎。

  【从大雁迁徙的视频中,可以看到它们的飞行阵型变化之复杂。】

  近十年来,新的技术革命又大大加深了我们对鸟类编队飞行现象的认识。这一次,无人机控制领域的专家们跑过来凑热闹了。随着全球鹰和捕食者无人机的大量应用,控制学领域开始关注飞行器的自动导航和操纵问题了。在组队飞行过程中,大型鸟类频繁和大角度的调整飞行,还不断更换领队鸟和跟从鸟之间的相对距离却不发生碰撞。赛勒等人在研究了大型鸟类飞行的观测记录后发现,从控制学上说,这些行为的并存几乎是不可能完成的任务。不过,他们也没有把这条路完全堵死:如果编队里的成员,每一个都以领队为基准来调整自己,且编队足够小的话,这个任务还有那么一丁点完成的可能。

  到目前为止,最靠谱的人字形编队具有空气动力学优势的证据恐怕就是来自维莫斯克奇(Weimerskirch)等人的实验。他们将八只白鹈鹕训练成自家摩托艇的粉丝,这些白鹈鹕只要看到摩托艇就会屁颠屁颠跟着傻飞。通过测量鹈鹕们飞行时的心律,研究者发现,白鹈鹕飞人字形时心率比单飞时低11%-15%,因此他们得出鸟类飞人字形节省能量的推断。但也有批评者跳出来反驳说,群居的动物往往比孤独的动物心率要低。

  总而言之,对于飞人字形究竟能否节省大雁长途奔袭中的体力这个问题,目前的确还不能下明确结论。也许,要找到这个问题的最终答案,唯一方法就是去训练一队风洞里的大鸟。通过它们在风洞里飞行的力学数据,才可能判断编队飞行究竟有没有节省体力。

鸟类编队飞行研究,才刚上路呢

  虽然科学家们尚不能证明人字形和一字形编队能够节省长途飞行的体力,但是这种编队形式的其他好处已经被证实了。鸟类学家发现,加拿大大雁的眼睛分布在头的两侧,各自可以覆盖从正前方往后的128度角的范围。这与这些大雁编队飞行的极限角度相一致。换句话说,每一个在编队里飞行的大雁都能看到领队鸟,而领队鸟也可以看见全部的编队成员。因此,这些鸟类选择人字形和一字形至少有一个确定的理由:在编队飞行中,每一只鸟都能看见整个编队,从而能够更好地进行相互交流或者自我调整。

  【大天鹅编队在北京城郊外优雅的飞过,想欣赏鸟儿们迁徙时的姿态?请看《一起去看:野鸭湖,又是一年迁徙季》      摄影 令狐兔妖】

  鸟类编队飞行的现象虽然常见,但却非常不容易进行研究。继生物学家最早介入这一领域后,航空工程师、数学家、乃至物理学家们也都逐渐参与进来,各抒己见,包括“鸟类人字形编队源于静电场”这样更加大胆的假说,也有了亮相的机会。事实上,任何人都可以提出自己的假设,只要经得起科学实验和实地观测的验证,假说就有机会得到广泛的认可!

  参考资料:

[1]Why Do Birds Fly in a V-formation?
[2]The Spring Geese Are Flying North
[3]I Lebar Bajec, F.H. Heppner / Animal Behaviour 78 (2009) 777-789

 

 

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channelId 1 1 组队飞行,大雁为什么摆“人”字? 1 “秋天到了,天气凉了,一行大雁往南飞,一会儿排成‘人‘字形,一会儿排成‘一‘字形。”秋天一凉,你的耳畔,可曾隐约响起小学语文课堂里那富有磁性的录音?