本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點。
Jen-Luc Piquant 本週注意到幾則關於所謂飛蛇物理學最新研究的新聞報道。 碰巧的是，早在 2010 年，在我加入《大眾科學》的部落格網路之前，我就寫過關於這個的文章，因此值得在此重溫那篇原始帖子的部分內容，以及新的研究成果。 你知道，是為了提供背景資訊。 而且還因為飛蛇非常棒，並且在空氣動力學方面也很有啟發意義。 那麼，開始吧！
印第安納·瓊斯可能是一位冒險、尋求刺激的考古學家，他曾傲慢地聲稱“我是科學家。沒有什麼能讓我震驚。” 但有一件事眾所周知地讓他害怕：蛇。 是的，印第安納·瓊斯是一個恐蛇症患者（恐蛇症 = 害怕蛇）。 這在《奪寶奇兵》的開場鏡頭中就已確定，當時他遇到了飛行員的寵物“雷吉”，後來又被用於喜劇效果，當時他和他的忠誠嚮導終於找到了方舟的秘密藏身之處，卻向下望去，看到地板在黑暗中，嗯，在移動。“蛇。為什麼非得是蛇？” 印第安納·瓊斯呻吟道。 他的朋友並沒有提供什麼幫助：“蝰蛇。非常危險。你先走。”
所以想象一下印第安納·瓊斯會對Chrysopelea paradisi（一種常見的樹棲蛇，常見於東南亞和南亞）作何反應，這種蛇喜歡從樹上高高的棲息處把自己扔下來，展平身體，滑翔到地面，或者另一棵樹——或者你的頭上！ 沒錯：這些蛇會飛，並不是因為它們入侵了一架客機，目的是嚇壞塞繆爾·L·傑克遜。（我們都厭倦了那些在XX飛機上的蛇，對吧？） 它們利用這種能力更快地到達新的地點，捕獵獵物（！），有時也作為一種防禦機制。 歸入“該死，大自然，你真怪異”類別。 這會給印第安納·瓊斯和他的恐蛇症同伴們帶來一些噩夢。
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但是這種飛蛇屬讓像傑克·索查這樣的科學家著迷，他目前是弗吉尼亞理工大學一位自稱的“生物體生物力學家”。 他研究這些生物已經近 20 年了，發現它們不尋常能力的生物力學非常複雜。
正如索查告訴《衛報》的那樣，博物學家在 1800 年代後期首次注意到蛇在空中飛行，“當時一位在東南亞的英國科學家碰巧看到一條蛇穿過他的茶園。” 然而，出於某種原因，儘管對鳥類飛行進行了大量的研究，但沒有人費心去調查蛇究竟是如何完成這一壯舉的。 索查決定填補這一空白。
索查於 2002 年在《自然》雜誌上發表了他的初步研究結果，當時他在芝加哥大學，概述了基本的空氣動力學原理。 在起飛之前，蛇會將其脊鱗抵住粗糙的樹幹表面，以便爬到選定的樹枝上。 然後它懸掛在末端，其傾斜角度在決定其飛行路徑中起著作用。 然後它收縮身體，形成向上的推力運動，將自己發射到空中，並利用身體創造出一種“偽翅膀”，以獲得最大的滑翔距離。
具體來說，蛇會吸入腹部，並可以利用肋骨展平身體形狀，從而產生“飛盤”效應：飛盤的設計具有橫截面“凹面”（即，其形狀在底部向內彎曲），這會增加飛盤下方的氣壓，從而提供升力。 飛蛇扁平的身體具有類似的凹面。 雖然飛盤透過旋轉來增加氣壓，但動物會在空中波動以產生相同的效果，其 S 形運動類似於游泳或甩鞭。（上面是Chrysopelea pelias飛行中的照片。）
在後來的2005 年發表的一項研究中，索查仔細研究了滑翔角和水平速度等變數，並將這些變數與蛇的大小和行為變數（包括質量、體長以及波幅和頻率（“波”是指蛇在飛行過程中身體的波動））相關聯。 他發現波頻率實際上並不是飛行行為的重要預測指標（儘管稍後會詳細介紹）。
哪些因素重要？ 嗯，尺寸很重要——但就這種情況而言，尺寸較小絕對更好。 體長、質量和波幅是預測指標，索查發現，較小的蛇比更大的蛇可以水平滑翔得更遠。 波動似乎是為了穩定飛行中的蛇。
最近（大約 2010 年），索查決定研究Chrysopelea paradisi，當它們從連線到 15 米高塔的“樹枝”上跳下來時，用四臺攝像機記錄蛇在滑翔時的運動。 基於這些鏡頭，他的團隊能夠建立蛇在飛行中身體位置的 3D 模型，並分析作用於它們蛇形身體的各種力和基本的滑翔動力學。
他們從中瞭解到什麼？ 嗯，首先，蛇可以從發射點行進 24 米遠，儘管它們從未完全達到索查所描述的“平衡滑翔狀態”。 這被定義為力的完美平衡：蛇身體的扭曲產生一些“升力”，以及重力將它們向下拉。 如果平衡是完美的，蛇將以恆定的速度和恆定的角度滑翔。
但它們正在滑翔：它們當然不會直接掉到地上，然後“啪”的一聲。“蛇被向上推——即使它正在向下移動——因為空氣動力向上分力大於蛇的重量，”索查解釋說。 事實上，如果這種效應無限期地持續下去，在某個時候，蛇就會開始上升，但與往常一樣，重力最終會獲勝。 蛇在撞到地面之前只能滑翔這麼遠。 至少，這應該給印第安納·瓊斯帶來一些安慰。
那麼，索查對這些迷人生物的持續研究有什麼新進展？ 嗯，在 1 月份，他在《實驗生物學雜誌》上發表了一篇論文，報告了一項關於 3D 列印的扁平滑翔模式飛蛇模型的實驗結果。 他將其浸入流動的水箱中，然後研究流體流動模式。 本月，他與喬治華盛頓大學航空工程師洛雷娜·巴巴合作，在《流體物理學》上發表了一篇新論文，內容是他們對蛇在滑翔時身體周圍複雜的漩渦氣流模式進行的新計算機模擬。
他們發現，秘密的另一部分可能是吸力。 蛇在飛行過程中呈現出的扁平的改良形狀使其身體更符合空氣動力學，特別是由於空氣渦流在它們上方形成的方式而產生升力，將它們向上吸——尤其是在考慮到蛇的首選迎角（20-40 度之間）的情況下。 巴巴將其比作龍捲風眼中的低壓區域。
但索查對飛蛇的研究仍未結束。 接下來，他想再次研究那種波動運動； 考慮到所涉及的複雜氣流模式，雖然建模要困難得多，但它肯定有助於這種生物獨特的滑翔能力。 因此，預計在未來幾年內會看到更多關於飛蛇物理學的見解。
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