|
昆虫独有的飞行能力令科学家叹为观止。按照传统空气动力学原理来看，蜜蜂是根本无法飞上天的。昆虫飞行是20世纪的一大谜团，最近人们才终于发现它们飞行轨迹中所显露的一些奥秘—— 空气动力学诞生之初，科学家就注意到昆虫的飞行有点诡异。早期研究表明，昆虫是通过快速拍打它们的翅膀来飞行的，可这种力量太小，依据它们的体重与飞行力量比率，科学家根本不可能制造出人类的飞行器。 1934年，科学家安托万·马恩莱和安德烈·桑切斯古进行蜜蜂的飞行研究。他们应用数学分析和已知的飞行原理来计算蜜蜂的飞行，得出的结论是，理论上说“蜜蜂飞行是不可能的”。自那以后，蜜蜂成了不遵守空气动力学原理的典型。 科学家下此定义的原因是，他们不可能制造出可以闪动翅膀的飞机。要产生30万倍的呼吸效率，对于人类而言是无法想象的事情。 昆虫翅膀溯源昆虫飞行的起源，至少可以追溯到3.5亿年前的古生代，那时候的地球是沼泽的天下。沼泽又是昆虫的理想乐园，所以，那时候的地球到处是昆虫，但都是没有翅膀的，它们当时还不需要这样累赘的东西。世界著名昆虫学家马修·道格拉斯在堪萨斯大学所进行的研究证明，那时的昆虫只有附翅，这是长在昆虫胸腔部位的小小的翅状突起，也叫垂下物。它们的功能本来是用来吸收太阳的热量，这样可以在气温下降时提高昆虫的体温。 到了古生代的石炭纪，出现了戏剧性的一幕：两栖类动物和爬行类动物开始大量登陆，它们均以昆虫为食。这样一来，除了原先的天敌蜘蛛和蝎子以外，昆虫又有了第三类致命的敌人。起先，昆虫是用跳跃的方式来逃脱两栖动物的袭击的。幸亏昆虫胸部的垂下物能使它们腾空而起，尽管距离很短，却足以使它们死里逃生。 符合适者生存的进化法则，活下来的昆虫其附翅就逐渐开始发育，而且逐渐形成翅膀的雏形。昆虫学家们推测，有一些昆虫在拼死逃命而跳跃的时候，会拍打它们那小小的翅形垂下物，以便使自己能滑翔得更远些。最后，这些垂下物就发育成为展开的漂亮的翅膀。昆虫用胸部强劲的肌肉来扑动它们的翅膀，因而可以飞得很远，使食肉动物可望而不可及。 妙不可言的气旋波音747飞机不会像昆虫一样扇动翅膀，却同样可以飞起来，这是因为它使用350吨的爆发性能量，并在机翼形状设计上下了足够的功夫，所以才能够获得巨大的上升力。如果飞机像鸟和昆虫一样振翅的话，周围便会产生空气漩涡而造成失速和坠落。 对于只有0.056克的纹白蝶来说，它的飞翔方式却是无法用这个定理来解释的。若以流体力学来解释的话，也会得到“昆虫会掉下来”的结论。 直到1998年，英国剑桥大学的理查得·亨廷顿教授才清楚说明了飞机和昆虫飞行方式的不同。秘密就蕴藏在神奇的气旋中。 空气是什么？空气可不是你所想象的那么无所谓，它可是既有体积又有质量，而且还是具有一定黏性的东西。例如，乘坐云霄飞车时，由于风压所以整个身子会向后仰。重量轻的纹白蝶，当它起飞时，能量一下子就会用完。然后它会用肌肉搅动有黏性的空气，让翅膀周围的空气产生漩涡，并藉由此产生的反作用力，以盘旋而升的气流力量让它得到上升飞行的能力。当翅膀由上往下拍打时，身体便往上浮起，翅膀举起的时候便开始了飞行前进。情形和道理颇像是人类的碟泳前进。 为了更详尽地揭示蜜蜂等昆虫的飞行奥秘，亨廷顿教授团队花费近一年的时间，制作出一只个头稍大些的机械天蛾，它具有用微型电池提供动力的翅膀，扇动力度和角度与真正的天蛾基本相同。研究人员把它放进风穴中，然后用超高速摄像机拍下它飞行时翅膀表面烟雾移动的三维画面。一些未知细节让大家眼前一亮——娥和蜜蜂等昆虫在起飞时，它们翅膀的前缘处会产生一个急转的螺旋形气团，正是这个气团给了它们一种额外的升力。 仔细观看三维影像画面后，研究人员发现当昆虫向下振动翅膀时，气流上升到翅膀以上，并在整个翅膀前缘部位形成一串圆筒状气旋。这个气旋是个圆锥形螺旋，翅膀根部的螺旋很小，越到翅尖，螺旋越大。 整个气旋与翅膀前缘保持水平，并紧贴前缘。从翅根到翅尖，这个气旋强度逐渐减弱、消失，接着被另一个新产生的气旋所取代。气旋移至翅尖后又延伸到昆虫的尾部，循环往复，这样一来，两个翅膀振动所产生的气旋就构成了一个环形。昆虫每振翅一次，就在双翼前缘处形成一个气旋，然后又冲出这个气旋。此时它翅膀处在气团包裹中，但翅膀的下一次振动所形成的气旋却再次为它提供升空的动力。 亨廷顿教授兴奋地说，飞行试验证明，这个气旋在昆虫的翅膀上空造成了一个低压区，在周围高压的推动下，处在低压区中心的翅膀就会被吸引上升。每个低压区都会被周围的高压区所托起，使处在低压区的昆虫获得上升的力。 以前，空气动力学家怀疑昆虫振动翅膀产生的前缘气旋可以获得足够上升的力量，那是因为他们没有看到这个气旋的细节，而过于保守了。 亨廷顿团队的发现获得了学界权威的首肯，他们认为这一发现的重要意义在于第一次证实昆虫翅膀前缘处的气旋是螺旋状的，呈圆锥形由翅根向翅尖推进。这种移动方式使整个气旋保持稳定，推迟了气旋与翅膀相分离，使气旋尽可能长时间地给昆虫提供上升的推力。 在揭示神秘气旋之前，亨廷顿还阐释了为什么昆虫长时间飞行却不会疲劳的奥秘。原来，绝大多数昆虫都在胸部长有8至10对气门，也称呼吸口。它们虽然没有肺，无需通过血红蛋白，却可以直接将氧气输送给肌肉，这种供给效率竟然是人类的30万倍。所以，它们可以长时间并轻松地扇动翅膀。 姿态控制尚未知小昆虫的确蕴含着大秘密。亨廷顿及圈内专家都清楚，了解了气旋与肌肉供氧还只是初步阶段，昆虫飞行还有诸多奥秘有待探索。比如，科学家还不能解释昆虫在空中是如何控制身姿的，因为它们不会静止停留在空中。还有，它们是怎样应对风向和风速变化的？而要了解昆虫是怎样控制和顺应这些外力条件的，无疑是十分复杂艰难的事。亨廷顿多次坦率地表示，这显然不是一两代人能解决的，这既需要多学科的联合，更需要主流科学的发展。 |
|
|
