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破解蜜蜂飞行奥秘

蜜蜂是如何飞行的?这一直是一个令人迷惑不解的问题。然而,更加令人大惑不解的是,科学家惊奇地发现,如果你用飞机这类飞行工具飞行时所遵循的传统空气动力学原理来看的话,蜜蜂根本就不能在天上飞。可是,这些小小的蜜蜂却是飞行能手。那么,它们为何能全盘否定空气动力学所遵循的经典法则呢?为此,科学家利用机器人模型,再结合慢动作录像,解开蜜蜂如何飞行的奥秘。此研究成果发表在近日出版的《美国国家科学院学报》上。

按照传统空气动力学原理,蜜蜂是不能飞行的。

据《新科学家》等媒体报道,昆虫是世界上第一个飞行家,如今,它们进化的后代所进行的飞行绝技表演比精英比赛还要精彩得多。它们可以像流星一样在你眼前划过;可像直升机一样在花朵上盘旋;在你要拍打它们时,它们就一下消失得无影无踪了。

按科学的方法来说,昆虫飞行是20世纪的一大谜团,至今仍令人大惑不解。有研究表明昆虫是通过猛烈地拍打它们的翅膀来飞行的,可这种力量太小没有应用到飞机上。1934年,科学家安托万·马根来和安德烈·桑来古进行蜜蜂的飞行研究。他们应用数学分析和已知的飞行原理来计算蜜蜂的飞行,得出结论是“蜜蜂飞行是不可能的”。自那以后,蜜蜂成了不遵守空气动力学原理的典型。尽管蜜蜂飞行之谜成了冰山之巅,但长久以来,研究人员都致力于搞清楚所有昆虫的飞行,从极小的果蝇到样子邪恶的蜻蜓。这是因为昆虫飞行与人类飞行的技能有很大不同,后者的物理学原理不能解释前者的飞行。因为像大黄蜂、蜻蜓、果蝇和其它飞行的昆虫体积都很小,必须用显微镜才能看清它们的飞行动作和难以置信的自然力和不可忽视的作用。

高速录像机帮助科学家捕捉到了蜜蜂翅膀拍打的幅度和次数。

最新例子就是这次由奥特苏勒、迪克逊和他们的同事所进行的研究。他们在论文上报告说,为揭开蜜蜂的飞行战术,科学家将蜜蜂赶进一个清澈的塑料箱中,箱子里安了3个高速录像机,以每秒6000次的速度拍摄蜜蜂的3D快照。他们发现,盘旋的蜜蜂经常以每秒240次的速度拍打它们一厘米长的翅膀,每次拍打的幅度只有90度,较其它昆虫的小,但拍打得快。因为其它昆虫拍打次数每秒不到200次,每次拍打幅度超过165度。按照飞行专家的一贯假定,昆虫越小,它们的翅膀就拍打得越快。在这方面,蜜蜂又是个例外,比如,意大利蜜蜂(Apis mellifera)拍打其10毫米宽的翅膀,每秒可达240次,较比它小得多的果蝇每秒仅200次要快许多。为何身材翅膀短小的蜜蜂要小幅度地尽快拍打其翅膀呢?为弄清这一点,研究人员还观察了这些昆虫在低压高空条件下是如何飞行的。当它们飞进低浓度氧和氦气的蜂箱时,里面的空气稀薄得如同海拔9200米高空的水平,此时,蜜蜂只得将拍打幅度增加到近140度,接近其它昆虫的幅度,才能支持它们的飞行,蜜蜂的这种不寻常的飞行方式是为了适应其飞行中所面临的不同需求。因为,在改变速度方面,短距离拍打较长距离拍打更快捷。

研究者发现,蜜蜂翅膀改变方向可以产生额外的力量。这次昆虫飞行研究领域的关键工作是英国剑桥大学的查尔斯·伊林顿与其他科学家,包括迪克逊。迪克逊1996年所建造的相同比例的大机器人昆虫模型———机器人飞虫帮了大忙。当机器人翅膀前后拍打时,他们测量了其不同部位的力量。科学家发现,蜜蜂产生的举升力不稳定,而是在每次拍打的开始、中间和结尾时所产生的力量最大。还有一种奇特的力量就是已知的额外质量力,这种力量每次拍打结束时可达到顶峰。当翅膀方向改变时,此力量还能提高加速度。也就是说,翅膀改变方向可以产生额外的力量。研究人员发现,大多数昆虫拍打其翅膀的幅度较大,而蜜蜂的较小但更为猛烈。蜜蜂的一种方式效率低且稳定性差。科学家认为,蜜蜂的这种不寻常的飞行方式是为了适应其飞行中所面临的不同需求。当找蜂蜜时,它们的重量最轻;当粘上花粉,或带有卵时,它们的重量是平时的2倍。在改变速度方面,短距离拍打较长距离拍打更快捷,因此蜜蜂的飞行方式能大大改变其上升的力量。

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