大雁飛行為什么排成“一”或“人”字形

“秋天到了，天氣涼了，一行大雁往南飛，一會兒排成‘人’字形，一會兒排成‘一’字形……”你可曾記得小學語文課本上這篇經(jīng)典的課文？不過，關(guān)于大雁，最直接的疑問必然是，大雁南飛為啥要排成“人”字形或者“一”字形？

在現(xiàn)有的大雁“人”字形編隊的說法中，“節(jié)省體力”的解釋流傳最廣。1914年，德國的空氣動力學家卡爾·魏斯伯格經(jīng)過簡單計算后首次提出大雁“人”字形飛行可以節(jié)省體力這一假說。他認為，大雁翅膀扇動會引發(fā)尾流的渦旋，而渦旋的外側(cè)正好是向上的氣流。如果相鄰的大雁剛好處在上升氣旋里，那么它們的飛行就會大大節(jié)省體力。

選取俯視或正視角，可以看到鳥兒扇動翅膀形成的氣流產(chǎn)生一個水平的氣旋，有上升也有下降，后來者如果位于上升氣旋中，那就能夠借助這股抬升力飛行了。

這個假說從誕生那天起，就受到了鳥類學家的歡迎，但是真正對它定量計算卻是在幾十年以后。1970年，里薩滿和斯科倫伯格利用日臻成熟的空氣動力學理論首次給出了一個估算。他們發(fā)現(xiàn)，與單個大雁相比，一個由25只大雁組成的“人”字形編隊可以多飛71%的航程。但他們并未給出具體的計算公式和計算過程，而他們采用的模型也過于簡化：先是假設(shè)這些鳥不扇動翅膀，而是像固定翼飛機一樣僵硬；同時也沒有考慮光滑的機翼和毛茸茸的翅膀之間的區(qū)別。此后，一批更深入的理論研究證明，大雁編隊飛行的能量利用率遠沒有上述提到的那樣高。不管此類工作如何細致，模型如何復雜，嚴謹?shù)目茖W家們還是批評這些理論計算過于理想化。光憑理論計算，似乎無法博得人們的青睞。

理論計算行不通，科學家們開始另辟蹊徑，研究實地觀測數(shù)據(jù)中“人”字形夾角的度數(shù)。他們認為，如果空氣動力學的優(yōu)勢是大雁選擇“人”字形或者“一”字形的唯一理由的話，那么大雁在大多數(shù)時間都應該保證“人”字形的夾角處于最佳或者某一個固定的數(shù)字附近，而且要避免飛成“一”字形，因為在對稱的尾跡里，一邊的上升氣流就會被浪費掉。但是，現(xiàn)實再一次無情地打擊了這一假設(shè)。雷達和光學跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，大型鳥類飛行的人字形夾角在24度到122度范圍內(nèi)變化，而且飛行中還會大幅度變換角度。最讓人費解的是，只有20%的飛行時間里，它們才會選擇“人”字形，而大多數(shù)時候是“一”字長蛇陣。

近年來，新的技術(shù)革命又大大加深了人們對鳥類編隊飛行現(xiàn)象的認識。隨著“全球鷹”和“捕食者”無人機的大量應用，控制學領(lǐng)域開始關(guān)注飛行器的自動導航和操縱問題。在組隊飛行過程中，大型鳥類頻繁和大角度地調(diào)整飛行，還不斷更換領(lǐng)隊鳥和跟從鳥之間的相對距離卻不發(fā)生碰撞。控制學理論學家在研究了大型鳥類飛行的觀測記錄后發(fā)現(xiàn)，從控制學上說，這些行為的并存幾乎是不可能完成的任務(wù)。不過，他們也沒有把這條路完全堵死：如果編隊里的成員，每一個都以領(lǐng)隊為基準來調(diào)整自己，且編隊足夠小的話，這個任務(wù)還有點完成的可能。“人”字形編隊具有空氣動力學優(yōu)勢的證據(jù)來自維莫斯克奇等人的實驗。他們將8只白鵜鶘訓練成自家摩托艇的“粉絲”，這些白鵜鶘只要看到摩托艇就會屁顛屁顛跟著傻飛。通過測量鵜鶘們飛行時的心率，研究者發(fā)現(xiàn)，白鵜鶘飛“人”字形時心率比單飛時低11%～15%，因此他們得出鳥類飛“人”字形節(jié)省體力的推斷。但也有批評者反駁說，群居的動物往往比孤獨的動物心率要低。

總而言之，對于飛“人”字形究竟能否節(jié)省大雁長途奔襲中的體力，目前還不能下明確的結(jié)論。

（改編自果殼網(wǎng)）