飞行的魔法:如何送门板上天 神们自己

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飞行的魔法:如何送门板上天 神们自己

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鸟人

古人仰望天空看见飞鸟的时候,他们肯定觉得太神奇了。天上明明空无一物,它们是怎么做到腾空而起的呢?

实际上,「天空」绝非空无一物。我们之所以这样觉得,只是因为空气是无色透明的。如果你能亲眼「看见」空气,立刻就会发现飞行的魔法。

鸟的翅膀向上扇动时,翅膀收缩以减小面积;向下扇动时,翅膀张开到最大。

上下扇动的动作是不对称的,往下扇出的空气多,往上扇出的空气少。这样每扇动一次,就有一团空气被拍向地面。

鸟儿挥动翅膀的动作,本质上就是把翅膀上方的空气抓一把扔到下方,由此获得的反作用力,就是升力。

如果把翅膀倾斜一点,往斜后方扇动,鸟就会获得前进的动力。

实际上,绝大部分鸟类的肩关节(翅根位置),是和身体锁死成一定角度的,它们只能往斜下方拍动翅膀。如果把一只鸟关到井里,它会被困住飞不出来,因为它只能朝斜上方飞,无法垂直起飞甚至倒飞。

就凭这看似简单的「一拍一收」的动作,鸟类创造了许多飞行的奇迹。

速度王:尖尾雨燕平时飞行速度为每小时 170 公里,冲刺时速高达 352 公里,和高铁差不多,几乎快赶上了 F1 的速度记录 375 公里/时。

雨燕家族可不是普通的燕子,它们被称为「没有脚的鸟」(修辞手法,脚还是有的),吃喝拉撒睡乃至交配,都在空中完成,除了孵蛋几乎不落地。

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高度王:黑白秃鹫可以飞到 11300 米的高空,已经到了民航客机的巡航高度。

这么精确的数字是怎么知道的呢?

因为 1973 年 11 月 29 日,在科特迪瓦城市阿比让上空,一只黑白秃鹫被吸入飞机的喷气式发动机,而这架飞机当时的高度正是 11300 米。

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技巧王:蜂鸟拍动翅膀的频率接近每秒 100 次,如此之高的「手速」快到人眼只能看到一片灰影。

最小的蜂鸟身长只有 5 厘米,最大也不过 20 厘米,而如此迷你的体型竟然能飞出 90 公里的平均时速!

蜂鸟也是唯一一种能悬停和倒飞的鸟,堪称鸟类中的「特技飞行家」。因为它的肩关节是所有鸟类中最灵活的,可以任意变换角度。

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耐力王:科学家早就知道,有些鸟类迁徙距离很长,甚至能单次不间断飞行 5000 公里。然而一只斑尾塍鹬的飞行记录仍然超出了所有人的想象。

没错,就是「鹬蚌相争」的那个「鹬」,看上去挺不起眼的小鸟,身长只有 30 多厘米,最爱吃的当然是贝类。

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通过跟踪芯片+GPS 定位,科学家惊讶地发现,2007 年 3 月 17 日,一只斑尾塍鹬从南半球的新西兰出发,抵达中国鸭绿江口,期间七天七夜不吃不喝不睡连续飞行,行程高达 10219 公里!

半年后的 8 月 30 日,同一只鸟再次创造纪录。

它从繁殖地阿拉斯加出发回新西兰过冬,横跨太平洋,直飞 11570 公里,脚下没有陆地,只有一片汪洋。全程连续飞行时间 8 天 12 小时,途中没有停下来吃一口饭、喝一口水!

鸟类的飞行本领,令世世代代的人心生艳羡。免不了有人开始琢磨:既然拍拍翅膀就能飞起来,那我每天苦练上下甩胳膊,有没有可能学会飞呢?

当然不能。你可千万别尝试,否则把胳膊甩脱臼了可别怪我——别问我是怎么知道的。

不过这点困难仍然无法阻止某些人继续往下琢磨:甩胳膊不管用,主要是因为人手太小了。你想啊,鸟的翅膀有羽毛,蝙蝠翅膀有皮膜,为的就是增加面积啊!那我们把胳膊上绑点羽毛,增大扇风面积不就行了?

纵观世界历史,各地都有勇士身绑羽毛跳天台的传说。

平心而论,那些跳天台的兄弟们并没有疯到相信绑根羽毛就能飞起来的地步,他们只是希望用羽毛实现软着陆而已——但遗憾的是,现实中发生的无一不是硬着陆。

你尽可以嘲笑古人不懂科学,但你有没有想过,明明生活在同一个世界,凭什么鸟拍拍翅膀就能轻松起飞,但我们人类往死里甩胳膊,哪怕绑上羽毛增大面积,却一点效果都没有?这也不科学啊!

别忘了,魔鬼都在细节里。

拍翅膀或者甩胳膊能扇风产生升力是不假,但升力大于体重才叫飞,否则充其量只能减少体重秤上的数字。

为了让升力大于体重,鸟类花了 1 亿 5 千万年时间,才完成了全方位的细节优化。

就拿最明显的翅膀来说,表面上它只是一条肉胳膊长了几根毛,暗地里全是细节。

前面提到,翅膀产生的升力,等于向下扇的气流减去向上扇的气流。向上扇时翅膀会收缩,以减少向上的气流。

但其实,不光翅膀会收缩,羽毛的角度也会微调。

羽毛是从毛孔里长出来的,受肌肉控制。翅膀向上收缩时,每一根羽毛会恰好转到垂直方向,就像打开的百叶窗一样,让空气无阻力地流过。

也就是说,鸟的翅膀往上抬的时候是漏风的,几乎不会产生向上扇的气流。而人类就算浑身绑满羽毛,你又怎么控制每根羽毛的方向?

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再比如,羽毛和羽毛是不一样的,长在同一个翅膀上的羽毛可以分为几类。翅尖附近的叫「初级飞羽」,它的特点是羽毛左右两边宽度不对称。靠近翅根的叫「次级飞羽」,左右大致对称。

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同样是向下扇风,次级飞羽主要提供升力,而初级飞羽除了升力以外,还能产生向后的推力。

如果你拔一根羽毛(鸡毛也行)当扇子扇,你会发现羽毛较宽的那一边会产生一股平行于地面的气流。因为下压空气时,羽毛宽边产生向后的气流更多。

也就是说,鸟只需依靠本能简单地拍打一次翅膀,就能同时产生升力和推力,而且比例恰到好处。

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然而翅膀只是鸟能飞的必要条件,不是充分条件。

就算把鸟的翅膀安到你身上,你也无力驾驭,因为你的胸肌不够发达。

鸟类的胸肌占体重的 25%~35%,而人类胸肌占体重只有 5%。按比例算,哪怕你练成健美远动员的身材,你的胸肌都比不上一只走地鸡。

这样说来,胸肌应该是鸟身上最好吃的肉。但鸡胸肉吃起来却很柴,因为它全是蛋白质,几乎不含脂肪。不过正因如此,鸡胸肉成了健身爱好者的最爱,因为纯补蛋白质还不长膘。

要想飞,光吃鸡胸肉和健身是远远不够的,您还需要亿点点整容。

没错,这就是我们「太美医美」的专长了,我们的目标就是,实现每一位客户上天的梦想,让天下没有难飞的男人!

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您看,虽然您的胸肌不够,但是人类的腿部肌肉发达呀,占全身肌肉的 76%。这样,我们可以把您腿上的肌肉全部移植到胸口,别说飞了,碎个大石都不在话下!

您说腿怎么办?腿还要它干嘛,飞起来徒增重量,累赘!全部切掉切掉,留两根麻杆当起落架就够了。太长了也不行,飞起来影响平衡,对,截掉,截短点……啥?您说身高?嗨,我说您都飞到所有人的脑瓜顶上了,还要身高干嘛呀?

接下来您只需要减点肥。

啥?腿都没有了还要减肥……哎呀不行哪,您现在的身材还是太臃肿啦!您看我给您算:您现在 70 公斤,要想飞起来,需要安一对翼展 7 米的大翅膀[1],不要太威武哦!

但是呢,这么大的翅膀,怎么也要二三十公斤了,还有您移植出来的无敌大胸肌也有二三十公斤,加一起怎么也 50 公斤了吧,剩下所有器官,最多 20 公斤。

没办法,我看看哪里还能优化吧!

对了,骨头!人的骨头太重了,占体重 40%,得减。

你看鸟的骨头都是空心的,只占 5% 的体重。想当鸟人,就要全方位向鸟儿学习啊,骨头先掏空[2],然后塞点泡沫塑料当填充物,不行再做点支架在里面……

咦,您这关节也太多了吧,光脊椎骨就有 32 节,太复杂了吧,鸟的脊椎骨都愈合成几节了,要不我帮您简化下,做个一体式骨架……

弯腰?亲,您高高在上还用得着弯腰吗,脖子能转就行了,我可以帮您做个猫头鹰那种 360 度转的颈椎,不过,得加钱!

脑袋也得减……放心,我们不动您聪明的大脑子,我们就是把颅骨削薄点。人类厚实的头骨是在地面上进化出来的,防止您一跤摔成脑震荡,上天了没用!恕我直言,您在天上要么不摔,要摔就摔成渣。

还有这口大板牙也用不着了吧,您在天上看到一只胖虫子在树叶上蠕动,飞过去呲溜一口,就解决一顿饭哪!

嗯,您的心肺功能不错,不过心脏还得改大些。飞行可是剧烈运动啊,新陈代谢极快,飞起来体温 42 度,发烧级运动,可得配一颗大心脏!

另外可要提醒您了,高空空气比较稀薄,含氧量低,要不给您加几个气囊?麻雀都有 9 个气囊,瞧您这结实的身板,怎么着也得配上 18 个吧,量大还可以打折哦~

最后让我看看您的下水——我是说消化系统。

嗯,消化道能短则短,大肠和膀胱这样的存储器太占地儿了,不要了吧……拉稀?大小便失禁?大小便失禁有啥?您在天上,那全世界不都是您的厕所,想拉就拉呗!

生殖系统也得改,您看鸟的卵巢只剩一个,啥突出的器官都没有,统一成泄殖腔了,大小便和生殖细胞从同一个口出,交配时间只需 3 秒……

哎呀,为了实现您飞行的梦想,牺牲一点幸福算啥呀!

您说最终效果呀?来,看这张图——

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不好意思拿错了,这是我们的反面教材,虚假的鸟人长得就像这样:瘦弱不堪的胸肌,臃肿累赘的大长腿,毫无必要的高颜值……好莱坞就是用这种东西,天天忽悠你们的!

而我们「太美医美」整出来的鸟人,那才是真正的鸟人:雄壮的胸肌,苗条的双腿,那叫一个优雅,那叫一个性感,谁看了都会情不自禁地唱出我们的 slogan:「只因你太美~」

图源:《和动物交换身体》加载中...图源:《和动物交换身体》--------------------我是幽默感的分割线--------------------

没错,如果你想像鸟一样飞,你就得变成一只鸟。谁让鸟已经进化成地球上最适合飞行的身材了呢?

如果你又想飞,又不想长成这样……

那对不起,接下来,请动动你那聪明的大脑子,研究一下空气动力学。

谜之升力

我发现一个奇怪的现象:鸟为什么会飞,三岁小孩都能大致明白;飞机为什么会飞,30 岁的成年人大多都不明白,然而他们丝毫不会对坐飞机产生任何困扰。

当然,我说的「飞机」不包括直升机、无人机。它们的飞行原理不难理解,就像大号电风扇,旋翼转动产生向下的气流,反作用力使飞机上升。

最难理解的是,固定翼飞机为什么能飞?

无论是常见的民航客机,还是战斗机、轰炸机、运输机,发动机都是向后吹风,获得向前的速度。

它们也不会像鸟儿一样扑棱翅膀,也不会像直升机一样往下吹风,那么垂直向上的升力是从哪儿来的呢?

翻遍了科普书、百度百科和 B 站视频,我看到的最多的一种解释,是「伯努利原理」。

伯努利在研究水管子的时候发现,液体在管子里流动的时候,流速越高的地方,压力越低。

就比如下面这个家用喷雾器,当活塞从左向右匀速推动时,由于从位置 1 到位置 2 的管道变细,导致途中交通堵塞频发,压力增大。

液体在压力作用下加速运动,到 2 时速度最大,此后速度不会再变化,加速度为 0。

根据牛顿第三定律,受力才有加速度,没有加速度说明不受力,也就是说,位置 2 是整个管子中压力最小的地方。

不要忘了,杯子里的液体也是受到大气压的,位置 2 压强小于大气压,意味着大气压会把杯子里的液体压得从下往上流入细管,像吸管吸水一样进入位置 2,最后喷出来雾化。

下图这个日常小装置,用的就是伯努利原理。

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流速越高,压力越小。水是流体,空气也是流体,伯努利原理对空气同样适用。

伯努利原理是这样解释飞机升力来源的:

机翼的上下两边是不对称的,底面较平而顶面凸起。迎面的气流被机翼前端分成上下两股,最后在机翼后方汇合。

在相同的时间内,上方的气流走的路程走过的路程比下方气流长,所以上方气流速度更快。

根据伯努利原理,流体的流速越快,压强就越小。机翼底面压强不变而顶面压强减小,这个压力差就是升力。

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清晰易懂是不是?

很遗憾,这个「路程差理论」是错的,而且错了不止一处。

首先,上方气流毫无理由要和下方气流汇合。

现实中的飞机,机翼上方的气流确实比下方气流速度快,而且快得多。不信你看,下图是机翼在风洞测试的实验结果:

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对于真实的飞机,当上方气流到达机翼末端时,下方气流可能连一半都没走到,上方气流根本不会停下来等它「汇合」。

上方气流速度更快,并不是因为要和下方汇合。实际上,如果上下两边气流真的汇合,两者的路程差很小,上方气流只会比下方气流快一点点。靠这点压力差,飞机根本飞不起来。

其次,这种解释认为,机翼剖面的不对称形状是升力的来源。那你怎么解释下面这种上下左右完全对称的菱形机翼:

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按照路程差理论,这种机翼应该根本飞不起来,因为上下气流走过的路程完全相同。

但这种机翼,其实是超音速飞机的专属,不仅能飞,而且飞得很快。

还有这种上边平坦、下边凸起的机翼:

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按照「路程差」解释,这种机翼应该往下飞才对,因为下边的路程更长,因此速度更快、压强更小。

而实际上,这种机翼叫「超临界机翼」,是 40 年前才发明的科技。当飞行速度接近音速时,它能有效减少激波的产生,从而降低阻力。

国产大飞机「运-20」用的就是这种机翼,不仅起飞毫无压力,还能带着 220 吨的载重一起飞。

同样,「路程差」也无法解释为什么飞机能倒过来飞。

特技飞机倒飞时,机翼凸面向下,飞机非但没有一头栽下去,还能稳稳地保持高度。

而且,「



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