【科學講座】信鴿高速飛行解析(續(xù))
發(fā)表時間:2006-08-24 14:13:21
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文/賈琨 宋俊平
筆者曾在《科學養(yǎng)鴿》雜志2006年第1期論述了信鴿在飛行過程中采用滑翔方式,使之在保持高速飛行的同時降低體能消耗,實現長時間連續(xù)飛行,本文著重論述高速滑翔之相關特點與受到的影響。有關研究和試驗表明:信鴿滑翔的效率與其身體的重心位置和外形有著直接的關系。根據流體力學原理,空氣對運動物體的阻力隨速度而變化,速度越高阻力越大。當氣體與物體某一面相摩擦時,阻力與速度的平方成正比。美國科學家研究還發(fā)現,空氣中快速運動的物體至少有3個面在移動中與空氣接觸發(fā)生摩擦,但對各個接觸面的影響卻不盡相同。根據推斷總阻力將是速度的二次方。顯然當信鴿的速度變?yōu)樵瓉淼?倍時,空氣阻力將增大到原來的4倍以上。信鴿的飛行速度有其最終的極限,這不能只單純地從肌肉強度和運動持續(xù)時間上去解釋,也應具體地從體形和羽毛表面摩擦力的問題上去解釋。
1 空氣動力學試驗
風洞實驗和計算機仿真空氣動力學模型的模擬試驗發(fā)現,當飛行體的體積、重量、初始飛行速度相同的前提下,重心位置適當靠后將有利于提升飛行體的滑翔性能。在養(yǎng)鴿實踐中,我們也認為好的信鴿必有很好的上浮力,具有輕、飄、浮的手感。筆者曾做過多次試驗——兩只體重相同、外形不同的信鴿上手鑒別,卻感覺到重量有著明顯的不同。究其原因,是我們感覺信鴿的重心位置不同。重心靠前者手感偏重,重心靠后者手感偏輕。
2 信鴿外形與滑翔的基本調查
計算機仿真試驗還發(fā)現,當飛行體的體積、重量、初始飛行速度相同的前提下,前端直徑粗、后端直徑細的飛行體持續(xù)滑翔的時間更長。所以鴿友們選擇前胸寬、后身窄的信鴿有其科學道理,它與信鴿的連續(xù)飛行時間、適飛空距有很大的關系。筆者對不同空距獲獎鴿進行大量考察后發(fā)現,300公里以內的短距離快速飛行的信鴿卻是前胸并不寬;而500公里以上空距比賽中當日歸巢(尤其在惡劣天氣)的獲獎鴿,前胸寬厚者非常多。前胸的寬窄與信鴿能連續(xù)飛行時間有關,能持續(xù)飛行時間長的信鴿,必有著很好的滑翔能力。
3 信鴿體形與風阻系數Cw的理論分析
信鴿飛行中受到的空氣阻力,以壓力體現并矢量遞加而產生力的作用。前進方向的垂直作用表面小、接觸面光滑,就能有效降低前進的空氣阻力。觀察信鴿的快速飛行高速相片可以看到,信鴿從嘴、脖子直到前胸形成一個平緩,并緩慢變粗的結構能最有效地降低空氣阻力。有經驗的賽鴿家挑選賽鴿時,對信鴿的嘴、脖子以及脖子與前胸的過渡有較高的要求。具有較平的龍骨和突起背部的信鴿大多具有連續(xù)長時間快速飛行的能力,已成為大多數鴿友的共識。
實驗分析表明:信鴿以70公里/小時的速度“主動飛行”時,有80%的能量消耗在克服空氣阻力上,而滑翔式“被動飛行”是“主動飛行”的替代方式,能有效防止能量的大量消耗。信鴿受到的空氣阻力與風阻系數Cw緊密相關,風阻系數的值越小,其流線型體形越標準,則使信鴿在消耗能量(主動飛行作用力)的情況下,獲得更高的速度。
一般情況下,垂直平面體的風阻系數為1.0以上,球體的風阻系數為0.5左右;飛禽的風阻系數大多介于0.1-0.2之間,飛機風阻系數為0.08,雨滴0.05的風阻系數為目前已知的最低數。在不記重力的情況下,快速移動物體的外形越接近雨滴形狀,則風阻系數也最小。


雨滴的流線型外形
不計重力影響時,飛行體最佳流線型外形
考慮到重力的影響,飛行體需在飛行過程中依靠體型變化產生上升力。而物理學和空氣動力學分析的結果是:下部接觸面的空氣流動速度必須盡可能的快,使其形成的壓力高于上部空氣接觸面受到的壓力,這就綜合形成了上升力。與前進方向平行的平面型接觸面受到的空氣的阻力最小,其運動速度也最快。所以上部接觸面為流線型,下部為平面型的物體在空氣中移動時,不僅風阻系數小而且獲得的升力也最高。人類在研究鳥類的飛行過程中也從中得到了相應的啟示,因此在制造的飛機時在機翼和機身的開關就采用了該原理。

能獲得上升力的流線型運動體模型
鳥類高速飛行時的運動軀體模型
流線型的體形使信鴿在飛行中能克服重力的影響,在滑翔時能在同一高度緩慢降低飛行速度而前進;而降低飛行高度后,信鴿的飛行速度將有可能再度加快。信鴿只需保持飛行高度,提供前進的基本動力即可實現不斷的飛行。所以說,良好的流線型體形是決定信鴿滑翔能力高低的首要因素。
4 羽毛表面摩擦力與風阻系數Cw的分析
雨滴由于表面張力的原因,外表非常光滑,其摩擦系數也極低,所以能具有極低的風阻系數;飛機與空氣的各個接觸面也采用了表面處理工藝,所以也能具有較低的風阻系數。但是信鴿的羽毛之間不僅有皺褶,而且還可能因管理和生理原因造成缺條,使身體表面變的粗糙。粗糙的表面不僅增大空氣阻力提高風阻系數,還使信鴿在飛行中更容易受到風向的影響。據有關研究,同種鳥類的羽毛摩擦系數的差距在2%左右,風阻系數的差距也在2%左右。因此在能量相同的條件下,按風阻系數相差2%計算,羽毛最光滑(摩擦系數低)的信鴿比其他羽質(摩擦系數高)的信鴿在飛行速度上要快6.248%也就是說當羽質一般的信鴿飛行速度達到1200.000米/分時,而羽質光滑的信鴿將達到1274.979米/分。在500公里比賽時羽質的差距體現為,羽質優(yōu)良的信鴿可以領先其他羽質的信鴿24分鐘歸巢。
我們強調信鴿應有絲絨狀,光滑的羽毛。但遺傳學的研究表明:信鴿的羽毛除了與遺傳有關系外,還與健康狀況有很大的關系。鴿友也會發(fā)現,當某些信鴿羽毛上出現油脂類斑點后羽毛將非常光滑,該信鴿將能達到它比賽的最佳狀態(tài),比賽中獲獎的概率也極高。
5 高度的影響
信鴿在滑翔時須克服重力和空氣阻力的影響,還會受到飛行高度的影響。理論上,隨著飛行高度(也與司放地的地形有關)的上升,地球的重力加速度將減少,且空氣逐漸稀薄空氣阻力將隨著減小。經測算,高度每提高1000米空氣密度將減少16.3%,飛行加速度每秒就能提高0.3厘米,非常有利于信鴿飛行速度的提高。但高原對信鴿的不良反應也相應存在,當高度超過2000米后,空氣稀薄氣壓較低,可能影響某些長期在平原養(yǎng)殖信鴿的有氧代謝,出現所謂的高原反應。由于條件的好壞與制約,在全是高原的比賽中,可能會有較少信鴿獲得較高的飛行速度。但在中國若干高原養(yǎng)殖的信鴿,賽線大多選擇在平原放飛,而且承受逆風的影響較多,所以目前尚未見到較好的飛行記錄。
理論研究表明:在海拔2000米左右的高原,即使不進行任何訓練和運動負荷,信鴿的有氧代謝仍要承受一定的負荷。血紅蛋白、白細胞、血球容積等將大大增加,肌體耐乳酸能力也會得到相應的提高。若干高原地區(qū)的幼鴿,能在低海拔平原地區(qū)的公棚獲得好成績的現象也履見不鮮,這可能與種鴿長期養(yǎng)殖有一定的關系。幼鴿具有的高原飛行的秉性,有可能飛得更高,具備更高的滑翔能力儲備,能連續(xù)飛行的時間也更長。
6 遺傳對信鴿的影響
據相關信鴿遺傳的數據統(tǒng)計分析:信鴿的外形和羽質在育種繁殖時,不可能全部得到上代信鴿優(yōu)良性狀的遺傳,雜交育種時體形更加容易發(fā)生改變。雜交能使信鴿獲得優(yōu)勢,體質更加健壯、生命力更強,但也存在諸多遺傳性狀改變的不良影響。如何強化信鴿的優(yōu)良體形和羽質?筆者的建議是,種鴿的適飛距離和賽績應盡可能相同,最好還要具有相似的特征。至于雜交還是近交,鴿友們應視種鴿的具體情況而具體決定。
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