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科学大院 05-26

给鸟儿戴护目镜?科学家们吃太饱了?

自然界没有鸟带护目镜,它们压根就不需要额外设备在飞行中防风沙,因为它们眼睛上有一个叫瞬膜的器官,简单来说就是" 第三眼睑 ",在高速飞行过程中有保护眼球的作用。

那层半透明的就是瞬膜

(图源:pinterest)

但今天,我们不是带大家了解鸟的瞬膜,而是介绍一只真的戴着护目镜的鸟。当然,眼镜不是鸟自己戴的,而是科学家给它戴上的。

科学家为什么给它戴护目镜呢?鸟有瞬膜,戴护目镜岂不是瞧不起鸟儿自身的本领吗?如果你想要知道真相,就接着看下去吧!

如何驯服一只鸟带上护目镜?

这只被科学家戴上护目镜的鸟名叫欧比,一只来自斯坦福大学的太平洋鹦哥(Forpus coelestis)

戴护目镜的太平洋鹦哥

(图源:Eric Gutierrez)

科学家给它戴上的是一个 3D 打印定制的护目镜,镜片的材质很普通——聚碳酸酯,可以防激光的直射。在此之前,从没有人专门给鸟造过护目镜,因此制作过程就是一个试错的过程,经过大量的尝试,科学家终于让镜片的厚度和重量达到了最合适的情况。

专门定制的护目镜

(图源:文献 1)

科学家们原本找来了三只太平洋鹦哥来戴护目镜,但只有一只适应了,正是欧比。他们花了好几个月的时间,天天喂它吃新鲜西蓝花和种子,才让它老实戴上护目镜。

图源:Eric Gutierrez

费了那么大力气,科学家肯定不只是想看看鸟带护目镜飞行有什么反应,要是实验目的真那么简单,估计科学家申请的经费都下不来。那真实原因到底是什么呢?咱们不妨继续往下看。

戴着护目镜飞行的欧比

(图源:Eric Gutierrez)

给鸟儿带护目镜的真相

前面提到,护目镜对欧比来说有一个重要的作用——防激光。太亮的光照到眼睛会造成损害,更何况能量密度极高的极光,当激光以极小的照射面积射到眼球上时,高能量就会让眼球组织的温度急剧升高,致使眼球被灼伤。即便有瞬膜保护的鸟儿,都无法避免激光直射眼睛的损害。

训练过程

(图源:Eric Gutierrez)

那为什么要用到激光?因为科学家想要做的实验需要用到激光,所以才给实验对象欧比戴上护目镜。而实验研究便是关于鸟在飞行拍打翅膀的过程中,产生涡流和升力的问题。

研究原理

(图源:文献 1)

对于固定机翼的飞机来说,下翼面的压强比上翼面高,在上、下翼面压强差的作用下,下翼面的气流就绕过翼尖流向上翼面。由于上、下翼面气流在后缘处具有不同的流向,于是就形成涡流。而机翼上产生的升力越多,涡流也就越强。这就是涡升力。

一般做流体力学的研究,就得观察记录下流体的变化过程。想要记录下空气的流体变化,就得用上激光。

在激光中飞行的欧比

(图源:Eric Gutierrez)

光有激光是不够的,还得在欧比飞行空中喷一些气溶胶液体,模拟空中的一层薄雾,这样才能将空气的流动展现出来。

如果没有气溶胶,激光会直接穿透空气,不会发生折射,也不会发生反射,自然不能展现空气的流动变化,激光辐照就照了个寂寞。

在雾气中飞行的欧比,通过激光可以看到流体的变化

(图源:Eric Gutierrez)

你可以看到,在欧比振翅的过程中会产生涡流,类似于飞机产生的涡流。

不过和固定机翼的飞机产生的涡流不一样的地方是,前者的比后者的不稳定,一下就 " 碎 " 了。飞机产生的涡流要在飞机飞远后才碎,而鸟的则是飞出去拍打翅膀不到 3 下就碎了。

很明显,鸟的振翅产生的涡流比飞机产生涡流复杂的多。

振翅过程中的产生的涡流

(图源:文献 1)

知道了鸟在振翅中产生的涡流变化,便可以通过翅膀运动学方程、空气动力学模型、姿态运动学方程以及质心的动力学方程等建立模型,然后分析飞行过程中不同时刻的升力和阻力,最终了解鸟儿振翅是如何稳定飞行的 ……

当然这只是理想情况,因为这位科学家到最后还是没搞懂涡流的变化规律(也不可能这么简单),只是提出了一个解决问题的构思,并通过给鸟戴上护目镜尝试研究 ……

不过,随着科学技术的成熟,也许在不远的将来,我们真能设计出大型的振翅飞行器。

对了,为了解决护目镜起雾的问题,科学家在镜片内侧涂了薄薄一层剃须膏,很有用,也许你可以在你眼镜上试试。

(有用的知识 get 了 √)

以上内容由"科学大院"上传发布
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