500多年前，伟大的博学家莱昂纳多·达·芬奇曾通过素描作品详细描述了鸟类通过风速梯度获得动能补充的策略。
图1 信天翁和其他海鸟通过穿行于风速梯度而几乎不费力地在空中盘旋。在理想化的无碍飞行中，飞鸟们甚至能够如图所示获得提速
只需轻拍翅膀，漫游的信天翁就能环航地球。当横飞在北太平洋上空时，信天翁和海鸟们能利用风切变（译者注：一种大气现象，是风速在水平和垂直方向的突然变化）来获取持续飞行的能量，无线电遥控的滑翔机采用的也是类似策略，我们称之为动态滑翔。利用风刮过山脊形成切变，滑翔机的飞行空速可以达到惊人的每小时500英里。工程师们目前正致力于开发能够利用这一技术的全自动无人机，希望能够使其在跨洋长时飞行中获得不同能源的持续补给，而这种无人机可以应用在环境检测、监控以及海上搜救等多个领域。
答案在风中
以信天翁与海鸟们的飞行为例，如图1所示，动态滑翔具有明确的阶段性。当海鸟的飞行贴近海洋表面的时候，它们会逆风上行，以较小的角度穿过风切变层。一旦到了风切变层之上，飞鸟们又会掉头顺风下行，再次穿过风切变层进入到无风层。到了无风层之后，飞鸟们又会再一次开始逆风之行。
如图1所示，信天翁可以通过穿梭风切变层的升降循环增加空速，而影响它的动能的关键步骤就是顺风斜弯转向并上升到风速相对强的最高点的部分。本质上来说，信天翁如同在一面朝它移动的巨型墙上反射了回去。这面风墙将自身的部分动能转移给了信天翁，而自己并未受到相互作用的影响。在实际的滑翔飞行中，信天翁获得的部分甚至全部动能会被阻力损耗掉，因此整个飞行是能量平衡的。
图1中的信天翁是在悬停模式示意图中循环飞行的，而通过飞行路径中的微小改变，信天翁就可以朝相对于风向的任何方向飞行。的确，信天翁常常利用动态滑翔来飞行穿越风场并且同时还能保持20米/秒的速度。通常来说，当它们穿梭风切变层升降飞行时，它们的水平速度分量会相对横穿风层方向有个倾斜角度。当信天翁和其他海鸟直接逆风飞行时，它们的飞行方式与抢风航行的帆船如出一辙。
莱昂纳多·达·芬奇（1452―1519）在尝试发明人力飞行器的时候曾研究过鸟类飞行，并对研究了解鸟类如何能不通过鼓翼扑打而滑翔的原理尤为热衷。达?芬奇素描了不计其数的鸟类，对飞行范式加以评述并仔细研究了空气与水的运动情况。尽管很多人了解他对空气动力学的研究，却鲜有人知达·芬奇是记录动态滑翔飞行策略的第一人。
研究简史
瑞利勋爵（Lord Rayleigh）对鸟类如何从风切变中获取维持滑翔能量的逼真描述是世界公认的第一次。在1883年发表的论文中，他分析了如图1所示的双层几何图形，却发现飞鸟同样能够很好地从连续的风速梯度中获取能量。
20世纪初，瑞利勋爵在飞行的机械原理的综述中对鸟类滑翔进行了总结。这篇综述极为重要，因为在当时瑞利是为数不多支持推广人类飞行又受人敬重的科学家之一。他的研究成果包括了对信天翁与其他海鸟动态滑翔的检测，同时还探讨了在阵风、热气流上升气流、风击坡地以及向上偏转等现象中的滑翔情况。
如今，关于海鸟滑翔争论的主要观点集中在到底飞行的主要能量来源来自何处：是如上文描述的来自风切变，还是应该归功于上升气流？某种程度上，来自计算机精准建模的数据支持让业内舆论趋于统一，认同动态滑翔理论解释了大多数信天翁滑翔的原理，最起码在信天翁横跨多风的南大洋的飞行中，这一解释是行得通的。
达·芬奇笔记
达·芬奇想要探究鸟类如何能够持续滑翔，并想通过研究所获的信息来研发人类飞行。他对于鸟类滑翔的飞行观察大多是在1500到1506年间在佛罗伦萨附近完成的，在他的“手稿E”中能够找到他对于这些观察的总结和对于动态滑翔的描述，而这些都为鸟类飞行与风的科学研究做出了划时代的贡献。手稿在1513到1515年间进行编制，那时达·芬奇居住在罗马。
在他的手稿中，达·芬奇绘制了顺风与穿风滑翔的图片。图2是“手稿E”开本第40页的复制品，展现的是一小群迁徙的飞鸟穿风动态滑翔的过程。在他的笔记中，达·芬奇写到，鸠类与其他相似的鸟类采用图示的策略，成群结队地飞行。以下是他对这波浪形运动的描述:
“当飞鸟成群长途迁徙时，如果有风恰好从一侧袭来，那么于它们的飞行而言无疑是极大助力，这背后的原因则是这种飞行是依靠大量反弹[波动]，入射运动发生在风层[风程]之下，双翼相对狭窄且飞行沿着既定行程方向前进，因而翅膀的扇动对于飞行并无作用。而反射运动发生在风层[风程]之上，飞鸟的双翼舒展，向上攀升，逆风而行，此时风如同重物之下的楔形阶梯，在飞鸟的双翼之下铺得满满，将飞鸟向天空托举而起。”
图2 早在16世纪由达·芬奇绘制的风场穿梭动态滑翔示意图。近直垂线表示的是水平风的方向，在图中表示的是自上而下吹过。右起向左的下方文字表示的是：鸟类们运动的第一阶段包含了由出纸面方向和逆风方向组成的上升过程，而紧接着的下降部分是随风而行。风向以及飞行策略的细节在莱昂纳多独特的自右至左镜面倒写法记录的手记中有详细描述
达·芬奇使用的“反射运动”这一术语使人联想到前文描写的风墙反射的画面，尽管他明显更钟情于将风对飞鸟的作用比喻为楔子。
在“手稿E”开本第40页中，达·芬奇描述了顺风的动态滑翔。尽管他在手稿中提到了少数陆鸟，但他并没有标明他所绘制的顺风滑翔的飞鸟种属。事实上，他仅仅清楚标记了唯一一种他所观察到的鸟类种属、观察的时间和地点，那就是他在1505年3月14日在佛罗伦萨附近前往菲耶索莱途中观察到的名为“可通（cortone）”的掠食性鸟类。
达·芬奇并未在笔记中提及在他记录动态滑翔时是否存在随海拔改变而出现的风速增加的现象，也许当他并没有注意到风切变对于滑翔的至关重要。但在他另一个笔记本的条目中显示，他的确注意到了随海拔增加风速增加的现象。正如他所观察到的，“当风向与它们的路径相悖时，飞鸟们常常低飞，这告知我们高处的风相较于低矮处的风是怎样的强劲。”当然，在16世纪初期，达?芬奇并没有如同当代科学那样精准地提出动态滑翔的概念，尽管如此，他仍然是描绘并阐释滑翔获能策略的第一人，而这一策略对于海鸟和工程师而言都无比重要。
资料来源 Physics Today
责任编辑 彦 隐
――――――――
本文作者菲利普·理查德森（Philip Richardson）是马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所荣休科学家。