關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事擁有未來。
一條離水的魚通常不是優雅或令人印象深刻的景象，除非這條魚會飛——或者懸停在實驗室風洞內。
飛魚科的成員依靠異常巨大的胸鰭和腹鰭在海浪之上翱翔，這些鰭充當翅膀。儘管科學家們已經研究了這些奇特的有鰭滑翔者的解剖結構和行為，但對飛魚空氣動力學的理解從未超出有根據的猜測：研究人員根據其他具有相似形狀翅膀的滑翔動物的已知空氣動力學特性來推測物理原理。現在，首次，一對研究人員直接測量了風洞內氣流繞飛魚鰭的流動方式，使用這些資料證實了早期關於魚類如何飛行的假設，並得出結論，這些魚的滑翔能力與某些鳥類相當。這項新研究由韓國首爾國立大學的機械工程師樸亨民和崔海川進行，發表在九月份的《實驗生物學雜誌》上。
“以前，沒有任何關於升力和阻力的真實實驗資料，”賓夕法尼亞州西切斯特大學的動物學家弗蘭克·費什說，他研究過飛魚，但沒有參與最近的研究。“這是一個進步，因為他們實際上已經採集了動物的身體並將它們放入風洞中。”
首爾全國漁業合作聯合會為崔和樸提供了 40 條在日本海（東海）新鮮捕獲的黑邊翅飛魚 (Cypselurus hiraii)。在將魚冷凍在冰櫃中後，研究人員選擇了五條大小最相似的魚，並請韓國海洋動物研究中心乾燥並填充魚的身體，使用聚氨酯泡沫來保持適當的解剖結構。研究人員展開了三條填充魚的胸鰭和腹鰭，使其類似於雙翼飛機，他們只展開了第四條魚的胸鰭，並收回了第五個標本的所有鰭，使其形狀像魚雷。然後，研究人員將每條魚放入風洞中，並比較了空氣如何在不同排列的鰭周圍移動。實驗人員還將力感測器連線到魚身上，並改變它們在隧道內的身體角度，以評估哪些角度產生最大的升力或阻力。
在進一步的測試中，研究人員在隧道下方安裝了一個水箱，以研究剛好在水面之上滑翔如何改變氣流繞鰭的流動方式。為了更清楚地看到這些影響，實驗人員還觀察了煙霧如何繞鰭流動。
分析產生了一些關鍵發現。首先，崔和樸證實，在風洞中獲得最大升力的角度與飛魚在野外從水中躍出時所處的陡峭角度相同。其次，研究人員發現，當魚類完全平行於水面滑翔（在自然界中觀察到）時，它們最大限度地提高了升阻比，確保它們儘可能長時間地保持在空中。第三，崔和樸觀察到，胸鰭和腹鰭的雙翼飛機結構有助於穩定魚在飛行中的姿態，防止它們向上或向下俯仰。第四，他們確定飛魚的滑翔效率與某些鳥類（如鷹、海燕和林鴛鴦）一樣高，所有這些鳥類都是優秀的滑翔者。最後，他們發現，由於一種稱為地面效應的現象，飛魚在剛好在水面之上滑翔時實現了令人難以置信的高效飛行——阻力降低高達 14%。
通常，一條在距離水面一定高度滑翔的飛魚會因鰭表面上的氣壓差而感受到阻力。鰭下方的氣壓高於上方，“下方的高壓想要向頂部的低壓移動，”費什解釋說，“但這隻能在翼尖處發生，氣流開始繞翼尖移動並向上到達[翅膀]頂部。由於您在向前移動，因此會形成翼尖渦流——一個旋轉的質量，在動物的每個鰭或翼尖後方形成一條長長的旋風尾跡。”這些渦流是誘導阻力的主要來源，但是當魚靠近水面時，渦流開始分解。與此同時，鰭下方的壓力增加，從而增加升力。綜合效應使得剛好在水面之上滑翔比自由飛行更節能。地面效應也是飛機即將降落在跑道上時您可能感覺到的輕微震動的原因。
飛魚可以透過將地面效應與一種稱為滑行的行為結合起來，在空中停留長達 400 米的距離，在滑行中，它們在仍然在空中的時候拍打尾巴穿過水麵，以便在它們有沉入水面以下的危險時重新加速。一些飛魚甚至進化出了專門的尾鰭，其下葉增大，在滑行期間提供更大的推力，以幫助它們保持在空中。關於飛魚飛行的原因，主要有兩種假設：一種假設認為魚類飛行是為了逃避海洋掠食者；另一種假設認為魚類在滑翔而不是游泳時可以節省能量。
儘管費什承認根據對填充動物的實驗室測試得出關於自然界行為的結論存在固有的缺陷，但他認為這項新研究是對飛魚空氣動力學迄今為止最準確的測量。“你使用填充系統或模型時總是會遇到的問題是它實際上有多接近現實：例如，我們不知道翅膀展開時的確切幾何形狀，”費什說。“但這能讓你進入大致範圍嗎？它比以前完成的工作更接近近似值。它可能非常接近現實。”崔強調了他如何小心地保護魚的活體解剖結構，尤其是脆弱的鰭。
費什和崔都認為，這項新研究可能對飛機設計具有應用價值。“也許飛魚的設計非常適合在水面之上旅行並節省燃料消耗，”費什說。“可以想象，我們可以有小型信使在海洋上空飛行。”崔指的是改進翼地效應 (WIG) 飛行器的設計，這些飛行器是專門為利用地面效應而建造的。“我們接下來的研究方向之一，”崔說，“是將我們從飛魚身上學到的知識應用於這些特殊飛機。”