鸟为什么能飞起来？没你想的那么简单！

▲ 飞起的鸟。图/Rawpixel

鸟先“征服”天空，人类随后跟上

鸟为什么能飞，这个问题还不好回答么？因为它有翅膀啊！ 那为什么鸟有了翅膀就能飞呢？光有翅膀它就能飞么？这些问题，回答起来可不是那么简单。

飞和起飞，是两码事

先说说鸟飞翔的原理吧。 从侧面看过去，你会发现鸟类翅膀上面的弯曲程度要大于下面，弯曲的翼形能加速空气的流动，让气压减小，所以鸟类翅膀上方的气压要小于下方，它就这样被空气托起来了。

▲ 机翼附近的空气流动图。图/Wikipedia 可是，你想过没有，弯曲的结构为什么会加速空气的流动？ 回忆一下漂流时的经历：是不是河道窄的时候河水流速快，河道宽的时候就是流速慢？空气就像河道里的水，弯曲程度越高，相当“河道”越窄，气流的速度自然就变快了。
▲ 一只煽动翅膀的北极海鹦，能够隐约看出来翅膀上侧的弧度。图/Rawpixel 那为什么速度变快，压强就会变小呢？流速快，可并不代表空气量就少了。 这就要提到流体动力学的伯努利原理了，这个原理指出：流体的速度越快，压强越小。举个例子来说，两张纸放在嘴边，对着两张纸的中间吹气，两张纸不会分开，反而会靠拢，这就是吹出来的风让压力变小了。
▲ 一张伯努利方程的实验图，在同等通风量的情况下，气道宽的地方风速小，气压更大（水面低）。图/Wikipedia 飞机的机翼，与鸟类的翅膀构造相似，所以飞机也能在空中飞行。不过，你有没有注意到一个问题：那就是除了直升机和一些能够垂直起降的喷气战斗机，飞机在起飞前都要“助跑”才能飞起来，这是为什么呢？
▲ 航空母舰通过弹射装置缩短飞机的起飞距离。图/Wikipedia 这是因为在伯努利方程中，上下压强的差值基本上是等于速度平方的差值（再乘上一些常量），我们假设翅膀上面的弯曲凸起可以让风速加快1倍，在速度是1的时候，上下平方的差值只有3，但在速度是10的时候，上下平方的差可高达300，所以，只要速度够快，钢铁做的飞机也能被空气顶上天。
▲ 被空气“顶上天”的鸟。图/Rawpixel 和飞机一样，鸟在起飞前，速度为0，就是张开翅膀也不可能凭空浮起来。在空中可以靠空气浮力，但想起飞？必须全靠自己。 鸟在起飞时候，第一要向上离地获得高度，第二要向前加速加大浮力。鸟靠拍打翅膀就可以同时获得向前和向上的推力，完成这两个任务。
▲ 一只正在起飞的绿头鸭。图/Wikipedia 对于一些小鸟来说，它们用脚一蹬，翅膀一抖就可以飞起来了，但很多体型很大的禽类，必须边助跑边煽动翅膀，才能起飞。还有一些鸟，比如雨燕，虽然善长飞行，但它的脚退化得只能攀附在立面上，不能走路也不能跳跃，所以只能停在高处，靠重力让自己获得初始速度。
▲ 在飞行的普通雨燕。图/Wikipedia 鸟在飞起来后，如果没有上升气流的帮助，还是要自己扇动翅膀，来继续向前加速，向上飞行，否则只能越飞越低。

不一样的翅膀，不一样的飞翔

同样是鸟，因为翅膀结构不同，飞行能力也千差万别，人类仿照不同翅膀的特点，制作出了不同特性的飞行器。 信天翁的翅膀，特点是“细、长、直”（这听上去似乎不是在描述鸟的翅膀），这种翅膀可以尽可能多地利用空气动力，它们在天空飞翔时，只有10%的所需能量来自于自己。
▲ 海上飞翔的信天翁。图/Wikipedia 当然，这种翅膀也有自己的短板，它能鼓动的风量小，起飞、降落、转向、加减速都比较困难，所以信天翁与其说是在飞行，不如说是在“享受随风逐流”，佛系的很。 “阳光动力2号”是一架以太阳能为动力的滑翔机，它就模仿了信天翁的翅膀模式——翼展长达72米，堪比波音747－800型客机，但驾驶舱却只有3.8立方米的空间，这样的结构，可以最大程度地省力、节电，以完成长距离飞行。2016年7月26日，它曾完成了人类首次太阳能环球飞行壮举。
▲ 阳光动力2号。图/Wikipedia 燕子会边飞，边捕捉另一种飞行大师——昆虫，所以它的飞行技巧极高，它短而头尖的翅膀，可以帮它完成急停、垂直上蹿、180度大急转等高难度动作。燕子的飞行速度也很快，一种叫做白喉针尾雨燕的燕子，时速可达到170千米，也就是百米赛跑只需2秒多就“跑”完了。
▲ 白喉针尾雨燕。图/Wikipedia 世界上最早的一款喷气式战斗机梅塞施密特262，代号就叫“燕子”，俄罗斯空军大名鼎鼎的米格-29特技飞行表演队，名字叫“雨燕”，给它们起名字的人，或许都希望这些飞机能像燕子一样灵活、高速吧。
▲ 飞行中的梅塞施密特262。图/Wikipedia 老鹰的翅膀大、肥、宽、圆，边缘的羽毛间可以明显看到缝隙（翼指），它们既能像信天翁那样在高空盘旋，寻找猎物，还能折起翅膀，向下俯冲，而且，如此肥厚的翅膀，让它抓住猎物后依然能获得足够的升力飞上高空。
▲ 鹰类翅膀示意。图/Wikipedia 人类的飞行器中，最接近老鹰翅膀的莫过于波音787 “梦想客机”的机翼了，同时，NASA也在研制了一种机翼能够向后折30度的飞机，以模仿老鹰俯冲时的模样。
▲ 波音787客机。图/Wikipedia

光有翅膀，还不够

已经有1.5亿年历史的鸟类家族，包括翅膀在内，几乎身体的每个部位，都与飞翔有着关系。 身体越轻，飞翔所需要的能量就越少，像知更鸟，体重和一个空易拉罐一样。中空的骨架被也认为是鸟类身体轻盈的秘诀。在许多书里都写到：人类的骨骼中充满骨髓，而鸟类的骨骼中却充盈着空气，但这么说其实并不严谨。
▲ 知更鸟，一种漂亮，灵动的小鸟。图/Wikipedia 试想一下，如果鸟类的骨骼里没有骨髓，那它的血是从哪里来的？要知道，造血干细胞都在骨髓里啊。所以实际情况是，鸟只有部分的骨骼是中空的，但有些骨头也和人一样，是有骨髓的，不信你切开个鸡大腿看看，里面是不是有骨髓？
▲ 鸽子骨架示意，填充了的骨头是有骨髓的。图/《Erythropoietic bone marrow in the pigeon》Karsten Schepelmann, 1990 鸟类的骨骼虽然轻到只占体重的5%，但并不是所有地方都“减配”了。比如，它的腿骨就很强壮，这既有助于承受每次降落时带来的冲击力，也让它们在面对捕食者时可以迅速跃起，起飞逃跑。 而且，鸟类的胸骨也异常发达，这样就可以附着更多的肌肉，这里强健的胸肌（负责向下扇翅膀）和喙上肌（负责向上回翅膀），重量能够占到全部体重的30%以上。
▲ 鸟类的骨骼剖面图，以及胸肌和喙上肌。图/Wikipedia 高效的飞行，不仅需要减重，还需要增加动力，呼吸系统和循环系统，是鸟类的发动机，它们的这两个系统，都要比人类强大很多。 人在吸气时只呼入新鲜空气，呼气时只排出废气，但鸟却通过增加前后气囊，实现了在吸气、呼气时都有新鲜空气可用。在鸟吸气时，会有一半气体会直接进入后气囊存起来，另一半则在肺部交换后排入前气囊，当它在呼气时，后气囊的新鲜空气则会进入肺部交换，再和前气囊的废气一起排出。

▲ 鸟吸气和呼气时肺部和前后气囊中空气的流动方向。图/Wikipedia 人的肺部，既要交换气体，还要储存气体，这意味人的肺里总会残留废气，这些废气和新呼入的气体融合，让整体的氧含量降低。但鸟肺只交换气体，储存气体的工作交给了气囊，所以它的肺，每次都能用到不折不扣的新鲜空气。 鸟的肺，不像人的肺那样长有死胡同般的肺泡，它的肺里全是连通的、细小的管道，空气在其中流动畅通无阻，这些细小管道的表面积很大，鸟类平均每克体重对应的肺部气体交换面积有200平方厘米，而哺乳动物只有15平方厘米。
▲ 大海上的翱翔的海鸥。图/Wikipedia 鸟的横膈膜不发达，只能依靠肋骨膨胀胸腔来完成呼吸，但它每上下扇动一回翅膀，恰好就拉动肋骨被动地完成了一次呼吸，一切都来的那么自然。 吸够了气，还需要一个强大的循环系统来把氧气送给各个细胞。我们最为常见的鸽子，心脏的重量可以占到总体重的1.7%以上，而人类只有0.42%，鸟中少有的能够悬停的蜂鸟，这个比例高达2.3%，而且心脏每分钟能跳动600多次。
▲ 快速煽动翅膀的蜂鸟。图/Wikipedia 鸟把一切几乎都做到了极致，才能展翅高飞。达芬奇想通过模拟鸟的造型，让自己也飞起来，但直到莱特兄弟为木头做的飞行器装上了喝汽油的钢铁之心后，我们才最终脱离了地心引力，和鸟一同飞上了蓝天。