風洞試驗揭示翼龍可以翱翔數小時

這種古代爬行動物藉助熱氣流滑翔並緩慢降落

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古代翼龍是一種飛行緩慢的動物,它藉助輕柔的氣流滑翔,可以翱翔數小時。布里斯托大學的研究生科林·帕爾默運用他作為渦輪工程師的專業知識,對翼龍翅膀模型進行了首次風洞試驗,得出了這一結論。 

翼龍是巨大的爬行動物(但不是恐龍),它們生活和飛行直至6500萬年前。化石記錄表明,它們獨特的肢體可能支援飛行,但與蝙蝠翅膀或鳥類翅膀不同,它們是由活體膜構成的,這種膜由肌肉和組織加強,像帆一樣張開在一根長骨上。由於沒有活體類似物,翼龍起飛、飛行和降落的力學原理一直是部分推測和部分理論。11月15日發表在PLoS ONE上的一項研究填補了謎題的一些碎片,併為動物如何起飛提供了一種解釋:翼龍使用所有四肢從地面起飛,在半秒內達到非常高的速度,並迅速升高高度。現在,帕爾默對翼龍翅膀模型進行風洞試驗是這個故事的第二章,它補充了關於這些爬行動物如何利用其獨特的肢體保持在空中的完整畫面。結果詳見11月24日出版的英國皇家學會學報B:生物科學線上版。

帕爾默用碳纖維和環氧樹脂的組合設計了薄而彎曲的翼片,翼展約為20英尺,模擬了基於化石證據的翼龍翅膀結構。然後,他測量了不同風況下的阻力和升力,改變了支撐骨橫截面的形狀。他的結果表明,翼龍翅膀對熱氣流非常敏感。翼龍用四條腿起飛後,會拍打翅膀,直到抓住從海洋或炎熱陸地上升起的這些小股暖空氣,然後輕鬆地藉助這些氣流翱翔數小時。對於較大的翼龍來說,翱翔比拍打翅膀飛行更省力。帕爾默的研究還表明,與衝入風暴和駕馭強風信天翁不同,笨拙的翼龍很難駕馭強風。


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“我認為他研究的整體膜動力學非常好,”查塔姆大學的翼龍專家邁克爾·哈比卜說,他共同開發了翼龍起飛的四足起飛理論。“但我有點懷疑它們對湍流和強風的極端脆弱性,”哈比卜說。哈比卜說,活的翅膀膜層疊著組織和肌肉,能夠收緊和放鬆各個部分,更好地控制飛行,儘管這些是帕爾默測試的重建模型所預期的機械限制。“我實際上認為[活體]膜可能比他允許的具有更多的控制力。”

根據帕爾默的重建,翼龍飛行緩慢但控制良好,翼龍可以在一個區域內陰森森地盤旋數小時,像鷹或老鷹一樣,也許在等待獵物從藏身之處出現。“我認為這有點令人敬畏,也有點可怕,”哈比卜說,“因為如果你談論的是翼展4英尺的掠食者是一回事,但如果它的翼展是35英尺,那就是另一回事了。”

緩慢翱翔的翼龍也會緩慢降落,這可能有助於保護其適應飛行的輕型骨骼,這些骨骼不適合高衝擊力。“就像客機一樣,你在著陸和起飛時不必高效;你只需要緩慢,這樣你就不會損壞任何東西,”帕爾默說。真正的翅膀是他的重建模型的更復雜版本,會像船帆一樣鬆開或收緊。“無論是翼龍還是帆船,物理學都是物理學,”帕爾默說。

這項研究還提供了化石證據無法觸及的翼龍生活史的一個片段,表明這些爬行動物生活在靠近陸地或海洋開闊空間的溫暖熱氣流附近。“化石顯示動物在哪裡死亡,或者在哪裡被衝上岸,”哈比卜說。“像帕爾默的工作這樣的東西告訴你它們活著時喜歡在哪裡度過時光。”

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