天下武功，唯快不破。

地球上最快的速度高手是誰？空中子彈–游隼當之無愧。

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

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

攻擊鴨子的游隼個頭不大，跟烏鴉差不多，體重只有1斤。就這樣一只小鳥，擊斃了比它大個的鴨子，收獲大塊鴨肉做晚餐。游隼是食肉猛禽，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。

游隼有雙敏銳的眼睛，能看到1公里以外的獵物，它的視力比你好8倍。當翱翔在高空的游隼發現低空中的獵物時，會居高臨下地俯沖出擊。它先扇動翅膀加速，并且不斷旋轉身體尋找最好的進攻角度。調整好身體姿態后，游隼弓背并腿，收起翅膀，縮攏尾巴，變成一枚炮彈，從空中俯沖直下，砸向獵物。在接近獵物的瞬間伸出利爪，劃破獵物的肚皮。俯沖的游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，可以看清游隼給了鴨子致命一擊。

游隼的整個身體，都為高速高壓打造。它極速俯沖時所受到的氣流沖擊，會讓大部分的動物都無法睜開眼睛，也無法呼吸。游隼眼睛里多了一層眼瞼，叫瞬膜，保護高速飛行時睜開的眼睛不受傷。鼻孔里多了一塊錐體骨，緩解氣流沖擊，保證高速飛行時呼吸的通暢。當它砸向獵物時，沖擊力高達25倍重力加速度。相比之下，優秀的F16戰斗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]

上圖是游隼俯沖時的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，到最后的踢腿出擊，游隼變換了4種身姿，最快速度出現在游隼身體收縮成炮彈型的第2階段。

炮彈型的身姿在俯沖時受到的空氣阻力，還有環繞身體的空氣氣流對身體的影響會是什么樣？

德國弗萊貝格工業大學，力學和流體力學研究所團隊，做了聚氯乙烯的游隼模型，在風洞中進行測試。模型大小重量形狀跟真實游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，游隼模型以最大速度80km/h經過風洞。歷經風洞后，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***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***域，說明這里局部的速度最高。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。

高速的氣流并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。上下氣流流經機翼后匯集，壓力差產生了飛機的升力。

空氣流過機翼時，并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，讓后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后緣，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，拉桿爬升，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，現在重新回到游隼俯沖的研究。游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沖速度和方向，但是游隼在真實飛行中并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，德國工程師團隊干脆飼養了一批游隼，實時觀察它們的飛行。團隊訓練游隼在60米高的水壩前俯沖，岸邊架起高速攝像機，以壩體為背景，能夠清晰捕捉到游隼的身姿。

60米的高度不能讓游隼加速到最高速度，水壩前的游隼最高速度是22.5m/s（81km/h）。團隊根據游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，現實俯沖中，游隼跟模型有一小點兒不一樣的地方。在游隼加速時，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游隼豎起的幾根羽毛。正常情況下，炮彈型身姿的游隼全身羽毛服帖地緊靠身體，保持平滑的流線型弧度。當它俯沖沖刺時，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，游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，相比于以前剛性材料***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，游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。游隼四兩撥千斤，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，還有那些劃過天際的鳥兒。

#這很科學#

參考資料：

1：“Diving-FlightAerodynamicsofaPeregrineFalcon(Falcoperegrinus)”，byBenjaminPonitz,etc.PloSOne,Feb.5,2014

2：“AerodynamicsoftheCuppedWingsduringPeregrineFalcon’sDivingFlight”,byBenjaminPonitz,etc.

3：“Vorticesenablethecomplexaerobaticsofperegrinefalcons”，byErwinRGowree,etc.Nature,CommunicationsBiology1,Apr.5,2018

4：“World’sdeadliest:superfastflyermakesakill”，NationalGeographic，2013

5：“Peregrinefalconskydive-insidetheperfectpredator”，BBC，2010

6：“AutomaticaeroelasticdevicesinthewingsofasteppeeagleAquilanipalensis”，JournalofExperimentalBiology

7：“ThePELskinproject-partV:towardsthecontroloftheflowaroundaerofoilsathighangleofattackusingaself-activateddeployableflap”，byRostiME.etc.Sep.272016

作者有話說：今天更新自然界里的秘密系列文章，這是第10篇：沖刺的鳥。一根羽毛就解決了航空史上的氣流分離難題，游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，飛鳥游魚回家的路比我們艱辛太多。