飛得最快的遊隼是誰（飛得最快的遊隼）

2023-10-16 18:02:08 1

天下武功，唯快不破。

地球上最快的速度高手是誰？空中子彈 – 遊隼當之無愧。

速度高手同臺，飛人博爾特速度：12m/s，獵豹速度：30m/s（110km/h），遊隼速度：108m/s（389km/h）。獵豹比飛人快3倍，遊隼比獵豹快3倍還多。自然界最快速度跟機械動力比起來也毫不遜色，遊隼快過高鐵時速，快過了波音747的起飛速度（300km/h）。

看清圖中的鴨子為什麼會翻倒在地嗎？鴨子被飛速掠過的遊隼擊斃，遊隼的速度快到你的眼睛無法捕捉。

攻擊鴨子的遊隼個頭不大，跟烏鴉差不多，體重只有1斤。就這樣一隻小鳥，擊斃了比它大個的鴨子，收穫大塊鴨肉做晚餐。遊隼是食肉猛禽，不抓老鼠不捉蛇，專門追捕其他鳥類做食物，速度是它所向披靡的利刃。

遊隼有雙敏銳的眼睛，能看到1公裡以外的獵物，它的視力比你好8倍。當翱翔在高空的遊隼發現低空中的獵物時，會居高臨下地俯衝出擊。它先扇動翅膀加速，並且不斷旋轉身體尋找最好的進攻角度。調整好身體姿態後，遊隼弓背並腿，收起翅膀，縮攏尾巴，變成一枚炮彈，從空中俯衝直下，砸向獵物。在接近獵物的瞬間伸出利爪，劃破獵物的肚皮。俯衝的遊隼就像從高空中射出的一把尖刀，獵物一旦被尖刀扎中，當場斃命。

現在把上圖的速度調慢6倍，可以看清遊隼給了鴨子致命一擊。

遊隼的整個身體，都為高速高壓打造。它極速俯衝時所受到的氣流衝擊，會讓大部分的動物都無法睜開眼睛，也無法呼吸。遊隼眼睛裡多了一層眼瞼，叫瞬膜，保護高速飛行時睜開的眼睛不受傷。鼻孔裡多了一塊錐體骨，緩解氣流衝擊，保證高速飛行時呼吸的通暢。當它砸向獵物時，衝擊力高達25倍重力加速度。相比之下，優秀的F16戰鬥機飛行員能承受的最高重力加速度只能達到12倍。[頭條-法蘭西is培根-未經授權請勿轉載其他平臺]

上圖是遊隼俯衝時的4級階段，開始出發，炮彈型加速，M型調節方向，最終攻擊。從展翼旋轉，收縮加速，微開翅膀調節方向，到最後的踢腿出擊，遊隼變換了4種身姿，最快速度出現在遊隼身體收縮成炮彈型的第2階段。

炮彈型的身姿在俯衝時受到的空氣阻力，還有環繞身體的空氣氣流對身體的影響會是什麼樣？

德國弗萊貝格工業大學，力學和流體力學研究所團隊，做了聚氯乙烯的遊隼模型，在風洞中進行測試。模型大小重量形狀跟真實遊隼的炮彈型身姿一樣，表面抹上厚厚一層石蠟油，當風洞中的氣流流過模型表面時，會劃出一道道的線條，記錄下風的痕跡。

上圖是穿越風洞的模型，遊隼模型以最大速度80km/h經過風洞。歷經風洞後，可以清楚看到空氣氣流流過模型身體的蹤跡。模型頭部劃出平行的勻稱流線，接著有一塊明亮的白色區域，在圖中數字1處，說明此處的石蠟油有所堆積。接著氣流繼續匯集平行流線，在翅膀的區域2處，有黑色區域，說明這裡局部的速度最高。當氣流來到區域3處時，又出現白色的石蠟油堆積。區域2和3之間，流線排列相當整齊。

高速的氣流並不是從頭到尾均勻地流過身體，石蠟油堆積的區域發生了氣流分離現象。也就是說，在1、3部位，氣流的方向跟順勢而下的主氣流方向不一樣，逆向氣流把石蠟油反方向推離模型表面，堆積起來。

飛行中出現氣流分離可不是好現象，航空史上，氣流分離會讓飛機發生失速，這是導致飛機失事的主要原因之一。接下來以機翼舉例，簡單介紹一下飛行中的氣流分離。

飛機機翼跟鳥兒翅膀一樣，側面呈弧形彎曲。水平氣流流過機翼時，上表面的氣流流線密集，速度快，壓強低，相比之下，翼底的氣流流線稀疏，速度慢，壓強高。上下氣流流經機翼後匯集，壓力差產生了飛機的升力。

空氣流過機翼時，並不能始終貼著表面流動。當迎面而來的氣流方向跟飛行方向的夾角（也叫機翼迎風的迎角，或攻角）變大時，靠近機翼翼面的氣流流速變慢，此時前方的氣流持續流過來，先前的減速氣流成了阻礙，讓後來的氣流沒法貼著機翼表面流動，主氣流抬高，繞過表面流動，機翼表面形成一段跟主流方向逆向的回流區。

上圖是氣流分離示意圖，如果氣流分離開始的地點靠近機翼後緣，氣流分離比較弱。如果分離點靠近機翼前緣，氣流分離則很強。圖中可以看到：迎角越大，越容易產生強氣流分離時。當機翼表面的氣流迅速分離，上表面氣流流速驟減，機翼失去升力，產生失速現象。失速本質是機翼上表面的氣流流速不足，而不是飛機的速度不足。失速時飛機失去升力，會急劇下降，發生摔機。

2009年6月法航447號班機墜落大西洋，機上228名人員全部罹難。墜機正是因為失速導致，當時飛機遭遇暴風，空速管凍結，飛行脫離了自動駕駛模式。當機組人員手動接管飛機時，拉杆爬升，導致飛機迎角過大，機翼出現強氣流分離，引起了失速。而機組人員忽略了失速警報，沒有壓低機頭，導致飛機墜毀。

飛機失速墜落時，不能逆向拉高機頭讓飛機往上飛，而是要順勢調低機頭，減小氣流迎角，緩解氣流分離現象，讓飛機重新獲得升力。

了解了氣流分離的嚴重性，現在重新回到遊隼俯衝的研究。遊隼身體模型上出現了氣流分離現象，現實中應該影響到它的俯衝速度和方向，但是遊隼在真實飛行中並沒有發生類似飛機失速而失控的情況，它是怎樣做到的？

模型的風洞實驗解不開氣流分離的難題，德國工程師團隊乾脆飼養了一批遊隼，實時觀察它們的飛行。團隊訓練遊隼在60米高的水壩前俯衝，岸邊架起高速攝像機，以壩體為背景，能夠清晰捕捉到遊隼的身姿。

60米的高度不能讓遊隼加速到最高速度，水壩前的遊隼最高速度是22.5m/s （81km/h）。團隊根據遊隼的實際飛行速度和角度（此時的迎角為5º），計算了空氣阻力，再次在風洞進行模型模擬測試。測試結果跟之前一樣，模型身體的相同部位依然留下了氣流分離導致的石蠟油堆積。

此時，攝像機捕捉到的細節揭開了真相，現實俯衝中，遊隼跟模型有一小點兒不一樣的地方。在遊隼加速時，背脊處會豎起一小撮毛，而此處正是產生氣流分離的地方。

上圖是風洞模型和實際身姿的對比，紅色箭頭所指之處就是遊隼豎起的幾根羽毛。正常情況下，炮彈型身姿的遊隼全身羽毛服帖地緊靠身體，保持平滑的流線型弧度。當它俯衝衝刺時，在合適的時間合適的位置，彈出幾根羽毛，破解了局部的氣流分離。

只要一小撮毛就能化解氣流分離的困擾，遊隼不僅帶給航空工程師巨大震撼，還給他們推開了另一扇窗--設計像羽毛一樣有彈性的襟翼。倫敦大學機械團隊，在飛機機翼（NACA0020翼型）上安裝一個有彈力的柔性襟翼，相比於以前剛性材料製作的襟翼，加了柔性襟翼的機翼在爬坡時，平均升力有增加。尤其在大迎角的情況下，柔性襟翼能顯著提高升力。只要調節襟翼參數，就能維持機翼動力的穩定性。

不懂公式不會計算，遊隼在實戰中捕捉變幻的氣流，調節身姿融入其中。高手出招，在準不在狠。遊隼四兩撥千斤，一根羽毛就化解了氣流分離的困境，加速無極限。

自然界一直走在我們的前面，每條生命都有我們比不上的天賦。仰望星空，震撼心靈的不止有漫天繁星，還有那些划過天際的鳥兒。

#這很科學#

參考資料：

1： 「Diving-Flight Aerodynamics of a Peregrine Falcon (Falco peregrinus)」，by Benjamin Ponitz, etc. PloS One, Feb.5, 2014

2：「Aerodynamics of the Cupped Wings during Peregrine Falcon’s Diving Flight」, by Benjamin Ponitz, etc.

3：「Vortices enable the complex aerobatics of peregrine falcons」，by Erwin R Gowree, etc. Nature, Communications Biology 1, Apr.5, 2018

4：「World’s deadliest: superfast flyer makes a kill」， National Geographic， 2013

5：「Peregrine falcon sky dive-inside the perfect predator」， BBC， 2010

6：「Automatic aeroelastic devices in the wings of a steppe eagle Aquila nipalensis」，Journal of Experimental Biology

7：「The PELskin project-part V: towards the control of the flow around aerofoils at high angle of attack using a self-activated deployable flap」，by Rosti ME. etc. Sep.27 2016

作者有話說：今天更新自然界裡的秘密系列文章，這是第10篇：衝刺的鳥。一根羽毛就解決了航空史上的氣流分離難題，遊隼帶給我的震撼太大，我得緩緩才能繼續本系列的更新了。下一篇新開一個系列，寫寫動物們回家的路。風餐露宿，山水迢迢，飛鳥遊魚回家的路比我們艱辛太多。