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為啥鳥從萬米高空掉下來不會摔死呢?鳥兒存在失速嘛?

錢瀠龍2年前15瀏覽0評論

鳥兒從高空掉下來摔不死的原因是鳥是活的,它可以控制自己的身體。為了較為詳細的解答這個問題,我將從鳥類飛行高度開始,估算鳥兒墜落的能量,并逐步引入失速的基本概念,由淺入深揭開本問題的答案。

1、鳥兒的飛行

鳥類有很多種,但是絕大部分的飛行高度都沒有達到萬米高空,一般都在1500m左右。已知的飛行高度最高的鳥是大雁,它能飛越喜馬拉雅山,高度近萬米,如下圖所示。

2、鳥兒墜落的能量

為了說明問題,我以大雁為例,因為它飛的更高,具備的勢能更大。正常體型的大雁體重約6kg,胖的大雁有12kg。我們還是以正常體型6kg來計算。大雁圖如下,體型還是較大的,身長可達90cm,翼展可達1.8m(鴻雁)。

飛在萬米高空的大雁,大概具備的勢能是600kJ。假設大雁飛的好好的,突然因為某種原因暈了(沒死),失去對身體的控制。此時,大雁開始往下墜落。若忽略空氣阻力,那么落地速度達到了447m/s,都超過音速340m/s了。這個速度撞擊下來,任何活物都無法幸存。

但是,稠密的大氣給了大雁墜落一個相當的阻力,空氣阻力公式如上圖。其中,c為空氣阻力系數,ρ為空氣密度,S物體迎風面積,V為物體與空氣的相對運動速度。空氣阻力系數與形狀有關,如下圖。針對本問題,暈過去的大雁,頭部向下墜落,助力系數應該與圓形差不多(具體數據得靠實驗測),我取0.5。

大雁體型較大的,迎風面積參考鵝的體型,大概類似直徑25cm的圓。帶入數據后,大雁墜落平衡的速度約為61.5m/s。也就是說,考慮空氣阻力后,大雁墜落速度約為61.5m/s,墜落能量約11.3kJ。可見,絕大部分能量都被空氣消耗掉了。

3、墜落能量的對比——傷害判定

由于大雁也是鳥,因此這里不得不提一下飛機的鳥撞實驗。鳥撞的相對速度大約在70-450m/s范圍內。撞擊的后果除了機毀人亡,鳥本身也是同歸于盡。前面說了,鳥類飛行高度約1500m高度上下,此時,飛機正處于加速上升,或減速下降的階段,飛行速度不會太高,遠未達到巡航的200m/s多的速度。大概,也就70m/s左右吧。

換個說法,當鳥與70m/s的速度與飛機撞擊時,鳥本身會變得尸骨無存。那么,當大雁從高空墜落,以61.5m/s的速度撞擊時,同樣也是這個結果。

如果是體型較小的麻雀呢(上圖)?麻雀約50g,迎風面半徑約2cm,由此得到麻雀墜地速度約35.1m/s,大概是大雁的一半。這個速度相當于車速126km/h在高速上行駛,相信有開車一族有類似體驗。這個速度下,一旦發生撞擊,區區鳥類肉體,完全不可能抗住。

4、失速

根據上面的分析,我們發現鳥類從高空墜落,基本不可能存活。為了弄清楚鳥類會不會失速,首先的弄清楚什么是失速。失速是流體力學中的概念,指的是機翼迎角過大,升力突然減小的現象。如下圖,隨著迎角的增加,升力先是逐漸上升,隨后開始下降。原因在于機翼上表面出現紊流,氣流不穩定,并發生分離。

維基百科:在流體動力學,失速(英語:stall)是指翼型氣動迎角(Angleofattack)增加到一定程度(達到臨界值)時,翼型所產生的升力(liftforce)突然減小的一種狀態。翼型氣動迎角超過該臨界值之前,翼型的升力是隨迎角增加而遞增的;但是迎角超過該臨界值后,翼型的升力將遞減。

失速是飛機非常害怕的一種現象,前段時間著名的波音737max飛機失事,就是因為軟件檢測到迎角過大,從而自動俯沖,造成事故。失速以后,飛機很難控制,但是一個合格的飛行員,是可以從通過操控飛機,改出失速的。

作為自由飛翔的鳥類,完全可以通過調整翅膀,來擺脫失速,這比飛行員控制飛機簡單多了。

5、總結

鳥類飛行高度大部分在1500m左右,只有部分大雁可以飛到接近萬米的高度。由于空氣阻力的存在,鳥類墜落的速度最終會平衡,平衡速度約35m/s-61m/s。這個速度的撞擊,依然會讓血肉之軀的鳥兒尸骨無存,不可能存活。鳥類可以自由的控制自己的翅膀,所以可以輕松的進入失速和改出失速,鳥類之所以從高空墜落不死,原因在于鳥是活的,可以隨時調整翅膀,改出失速。