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(xué)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(xué)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(rèn)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(xué)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(xué)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(fù)雜，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)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(xué)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(rèn)為，如果空氣動力學(xué)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(yīng)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(xué)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(rèn)識。隨著“全球鷹”和“捕食者”無人機的大量應(yīng)用，控制學(xué)領(lǐng)域開始關(guān)注飛行器的自動導(dǎo)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(xué)理論學(xué)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(xué)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(zhǔn)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(xué)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(xùn)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)）