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組隊飛行,大雁為什么擺“人”字?

“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。”秋天一涼,你的耳畔,可曾隱約響起小學語文課堂里那富有磁性的錄音?

不過,對于大雁,最直接的疑問必然是,大雁南飛為啥非要排成“人”字形或者“一”字形,而不是N形和B形,或者其他更具想象力的陣型呢?

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【雪雁(Anser caerulescens)組成一字形和人字形編隊飛行,會有多少人誤認為,“一”字形是并排或是排成一支隊伍的形式......圖片來自flickr.com】

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人字形編隊,省體力?

在現有的大雁人字形編隊說法中,“節省體力”的解釋流傳最廣。事實上,這個解釋還停留在假說階段。目前為止,科學家還沒有確鑿的證據來支持它。

很早以前,人類就已經開始觀察到,大型鳥類通常選擇人字形或者一字形的線形陣,而小形鳥類則往往聚成一團。不過,對大型鳥類編隊飛行奧秘的科學探索,還要追溯到二十世紀初萊特兄弟剛剛開啟航空時代的歲月。1914年,德國的空氣動力學家卡爾?魏斯伯格(Carl Wieselsberger)經過簡單計算后首次提出大雁飛人字形可以節省能量這一假說。他認為,大雁翅膀扇動會引發尾流的渦旋,而渦旋的外側正好是向上的氣流。如果相鄰的大雁剛好處在上升氣漩里,那么他們的飛行就會大大省力。

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【選取俯視或正視角,可以看到鳥兒扇動翅膀形成的氣流產生一個水平的氣漩,有上升也有下降,后來者如果位于上升氣漩中,那就能夠借助這股抬升力飛行了。圖片來自lifeomics.com】

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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(Lissaman)和斯科倫伯格(Schollenberger)利用日臻成熟的空氣動力學理論首次給出了一個估算。他們發現,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。他們還得出,最佳的人字形夾角為120度。這個研究結果是如此的激動人心,以至于如今的成功學和領導學教材上已經充斥這個結論,用來說明領導是多么偉大,而團隊工作是多么有效率。

難道說,大雁組隊飛行Pose擺法的問題就要這樣蓋棺定論了?

且慢!在里薩滿和斯科倫伯格的研究中,他們并未給出具體的計算公式和計算過程。而他們采用的模形也過于簡化:先是假設這些鳥不扇動翅膀,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文章中提到的那樣高。不管此類工作如何細致,模型如何復雜,嚴謹的科學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。

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【固定翼飛機的尾流里,外側的確是上升氣流,不過鳥兒們飛行時候的氣流模型,可就復雜多了。圖片來自sciencebuddies.org】

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省力與否,假說VS實證

理論計算行不通,科學家們開始另辟蹊徑,研究實地觀測數據中人字形夾角的度數。他們認為,如果空氣動力學優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字附近,而且要避免飛成一字形,因為對稱的尾跡里,一邊的上升氣流就會被浪費掉。但是,現實再一次無情的打擊了這一假設。雷達和光學跟蹤研究發現,大型鳥類飛行的人字形夾角在24度到122度范圍內詭譎多變,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,他們才會選擇人字形,而大多數時候一字長蛇陣更受歡迎。

【從大雁遷徙的視頻中,可以看到它們的飛行陣型變化之復雜。】

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近十年來,新的技術革命又大大加深了我們對鳥類編隊飛行現象的認識。這一次,無人機控制領域的專家們跑過來湊熱鬧了。隨著全球鷹和捕食者無人機的大量應用,控制學領域開始關注飛行器的自動導航和操縱問題了。在組隊飛行過程中,大型鳥類頻繁和大角度的調整飛行,還不斷更換領隊鳥和跟從鳥之間的相對距離卻不發生碰撞。賽勒等人在研究了大型鳥類飛行的觀測記錄后發現,從控制學上說,這些行為的并存幾乎是不可能完成的任務。不過,他們也沒有把這條路完全堵死:如果編隊里的成員,每一個都以領隊為基準來調整自己,且編隊足夠小的話,這個任務還有那么一丁點完成的可能。

到目前為止,最靠譜的人字形編隊具有空氣動力學優勢的證據恐怕就是來自維莫斯克奇(Weimerskirch)等人的實驗。他們將八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律,研究者發現,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省能量的推斷。但也有批評者跳出來反駁說,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省大雁長途奔襲中的體力這個問題,目前的確還不能下明確結論。也許,要找到這個問題的最終答案,唯一方法就是去訓練一隊風洞里的大鳥。通過它們在風洞里飛行的力學數據,才可能判斷編隊飛行究竟有沒有節省體力。

鳥類編隊飛行研究,才剛上路呢

雖然科學家們尚不能證明人字形和一字形編隊能夠節省長途飛行的體力,但是這種編隊形式的其他好處已經被證實了。鳥類學家發現,加拿大大雁的眼睛分布在頭的兩側,各自可以覆蓋從正前方往后的128度角的范圍。這與這些大雁編隊飛行的極限角度相一致。換句話說,每一個在編隊里飛行的大雁都能看到領隊鳥,而領隊鳥也可以看見全部的編隊成員。因此,這些鳥類選擇人字形和一字形至少有一個確定的理由:在編隊飛行中,每一只鳥都能看見整個編隊,從而能夠更好地進行相互交流或者自我調整。

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【大天鵝編隊在北京城郊外優雅的飛過,想欣賞鳥兒們遷徙時的姿態?請看《一起去看:野鴨湖,又是一年遷徙季》 攝影 令狐兔妖】

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鳥類編隊飛行的現象雖然常見,但卻非常不容易進行研究。繼生物學家最早介入這一領域后,航空工程師、數學家、乃至物理學家們也都逐漸參與進來,各抒己見,包括“鳥類人字形編隊源于靜電場”這樣更加大膽的假說,也有了亮相的機會。事實上,任何人都可以提出自己的假設,只要經得起科學實驗和實地觀測的驗證,假說就有機會得到廣泛的認可!

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參考資料:

[1] Why Do Birds Fly in a V-formation?
[2] The Spring Geese Are Flying North
[3] I Lebar Bajec, F.H. Heppner / Animal Behaviour 78 (2009) 777-789
The End

發布于2011-09-23, 本文版權屬于果殼網(guokr.com),禁止轉載。如有需要,請聯系果殼

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水軍大嘟嘟

環境流體力學博士生,科學松鼠會成員

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