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为啥鸟从万米高空掉下来不会摔死呢?鸟儿存在失速嘛?

2020-10-15  茶香飘万里

鸟儿从高空掉下来摔不死的原因是鸟是活的,它可以控制自己的身体。为了较为详细的解答这个问题,我将从鸟类飞行高度开始,估算鸟儿坠落的能量,并逐步引入失速的基本概念,由浅入深揭开本问题的答案。

1、鸟儿的飞行

鸟类有很多种,但是绝大部分的飞行高度都没有达到万米高空,一般都在1500m左右。已知的飞行高度最高的鸟是大雁,它能飞越喜马拉雅山,高度近万米,如下图所示。

2、鸟儿坠落的能量

为了说明问题,我以大雁为例,因为它飞的更高,具备的势能更大。正常体型的大雁体重约6kg,胖的大雁有12kg。我们还是以正常体型6kg来计算。大雁图如下,体型还是较大的,身长可达90cm,翼展可达1.8m(鴻雁)。

飞在万米高空的大雁,大概具备的势能是600kJ。假设大雁飞的好好的,突然因为某种原因晕了(没死),失去对身体的控制。此时,大雁开始往下坠落。若忽略空气阻力,那么落地速度达到了447m/s,都超过音速340m/s了。这个速度撞击下来,任何活物都无法幸存。

但是,稠密的大气给了大雁坠落一个相当的阻力,空气阻力公式如上图。其中,c为空气阻力系数,ρ为空气密度,S物体迎风面积,V为物体与空气的相对运动速度。空气阻力系数与形状有关,如下图。针对本问题,晕过去的大雁,头部向下坠落,助力系数应该与圆形差不多(具体数据得靠实验测),我取0.5

大雁体型较大的,迎风面积参考鹅的体型,大概类似直径25cm的圆。带入数据后,大雁坠落平衡的速度约为61.5m/s。也就是说,考虑空气阻力后,大雁坠落速度约为61.5m/s,坠落能量约11.3kJ。可见,绝大部分能量都被空气消耗掉了。

3、坠落能量的对比——伤害判定

由于大雁也是鸟,因此这里不得不提一下飞机的鸟撞实验。鸟撞的相对速度大约在70-450m/s范围内。撞击的后果除了机毁人亡,鸟本身也是同归于尽。前面说了,鸟类飞行高度约1500m高度上下,此时,飞机正处于加速上升,或减速下降的阶段,飞行速度不会太高,远未达到巡航的200m/s多的速度。大概,也就70m/s左右吧。

换个说法,当鸟与70m/s的速度与飞机撞击时,鸟本身会变得尸骨无存。那么,当大雁从高空坠落,以61.5m/s的速度撞击时,同样也是这个结果。

如果是体型较小的麻雀呢(上图)?麻雀约50g,迎风面半径约2cm,由此得到麻雀坠地速度约35.1m/s,大概是大雁的一半。这个速度相当于车速126km/h在高速上行驶,相信有开车一族有类似体验。这个速度下,一旦发生撞击,区区鸟类肉体,完全不可能抗住。

4、失速

根据上面的分析,我们发现鸟类从高空坠落,基本不可能存活。为了弄清楚鸟类会不会失速,首先的弄清楚什么是失速。失速是流体力学中的概念,指的是机翼迎角过大,升力突然减小的现象。如下图,随着迎角的增加,升力先是逐渐上升,随后开始下降。原因在于机翼上表面出现紊流,气流不稳定,并发生分离。

维基百科:在流体动力学,失速(英语:stall)是指翼型气动迎角(Angle of attack)增加到一定程度(达到临界值)时,翼型所产生的升力(lift force)突然减小的一种状态。翼型气动迎角超过该临界值之前,翼型的升力是随迎角增加而递增的;但是迎角超过该临界值后,翼型的升力将递减。

失速是飞机非常害怕的一种现象,前段时间著名的波音737max飞机失事,就是因为软件检测到迎角过大,从而自动俯冲,造成事故。失速以后,飞机很难控制,但是一个合格的飞行员,是可以从通过操控飞机,改出失速的。

作为自由飞翔的鸟类,完全可以通过调整翅膀,来摆脱失速,这比飞行员控制飞机简单多了。

5、总结

鸟类飞行高度大部分在1500m左右,只有部分大雁可以飞到接近万米的高度。由于空气阻力的存在,鸟类坠落的速度最终会平衡,平衡速度约35m/s-61m/s。这个速度的撞击,依然会让血肉之躯的鸟儿尸骨无存,不可能存活。鸟类可以自由的控制自己的翅膀,所以可以轻松的进入失速和改出失速,鸟类之所以从高空坠落不死,原因在于鸟是活的,可以随时调整翅膀,改出失速。

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