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  • 1 # 力學Nerd王小胖

    鳥兒從高空掉下來摔不死的原因是鳥是活的,它可以控制自己的身體。為了較為詳細的解答這個問題,我將從鳥類飛行高度開始,估算鳥兒墜落的能量,並逐步引入失速的基本概念,由淺入深揭開本問題的答案。

    1、鳥兒的飛行

    鳥類有很多種,但是絕大部分的飛行高度都沒有達到萬米高空,一般都在1500m左右。已知的飛行高度最高的鳥是大雁,它能飛越喜馬拉雅山,高度近萬米,如下圖所示。

    2、鳥兒墜落的能量

    為了說明問題,我以大雁為例,因為它飛的更高,具備的勢能更大。正常體型的大雁體重約6kg,胖的大雁有12kg。我們還是以正常體型6kg來計算。大雁圖如下,體型還是較大的,身長可達90cm,翼展可達1.8m(鴻雁)。

    飛在萬米高空的大雁,大概具備的勢能是600kJ。假設大雁飛的好好的,突然因為某種原因暈了(沒死),失去對身體的控制。此時,大雁開始往下墜落。若忽略空氣阻力,那麼落地速度達到了447m/s,都超過音速340m/s了。這個速度撞擊下來,任何活物都無法倖存。

    但是,稠密的大氣給了大雁墜落一個相當的阻力,空氣阻力公式如上圖。其中,c為空氣阻力系數,ρ為空氣密度,S物體迎風面積,V為物體與空氣的相對運動速度。空氣阻力系數與形狀有關,如下圖。針對本問題,暈過去的大雁,頭部向下墜落,助力系數應該與圓形差不多(具體資料得靠實驗測),我取0.5。

    大雁體型較大的,迎風面積參考鵝的體型,大概類似直徑25cm的圓。帶入資料後,大雁墜落平衡的速度約為61.5m/s。也就是說,考慮空氣阻力後,大雁墜落速度約為61.5m/s,墜落能量約11.3kJ。可見,絕大部分能量都被空氣消耗掉了。

    3、墜落能量的對比——傷害判定

    由於大雁也是鳥,因此這裡不得不提一下飛機的鳥撞實驗。鳥撞的相對速度大約在70-450m/s範圍內。撞擊的後果除了機毀人亡,鳥本身也是同歸於盡。前面說了,鳥類飛行高度約1500m高度上下,此時,飛機正處於加速上升,或減速下降的階段,飛行速度不會太高,遠未達到巡航的200m/s多的速度。大概,也就70m/s左右吧。

    換個說法,當鳥與70m/s的速度與飛機撞擊時,鳥本身會變得屍骨無存。那麼,當大雁從高空墜落,以61.5m/s的速度撞擊時,同樣也是這個結果。

    如果是體型較小的麻雀呢(上圖)?麻雀約50g,迎風面半徑約2cm,由此得到麻雀墜地速度約35.1m/s,大概是大雁的一半。這個速度相當於車速126km/h在高速上行駛,相信有開車一族有類似體驗。這個速度下,一旦發生撞擊,區區鳥類肉體,完全不可能抗住。

    4、失速

    根據上面的分析,我們發現鳥類從高空墜落,基本不可能存活。為了弄清楚鳥類會不會失速,首先的弄清楚什麼是失速。失速是流體力學中的概念,指的是機翼迎角過大,升力突然減小的現象。如下圖,隨著迎角的增加,升力先是逐漸上升,隨後開始下降。原因在於機翼上表面出現紊流,氣流不穩定,併發生分離。

    維基百科:在流體動力學,失速(英語:stall)是指翼型氣動迎角(Angle of attack)增加到一定程度(達到臨界值)時,翼型所產生的升力(lift force)突然減小的一種狀態。翼型氣動迎角超過該臨界值之前,翼型的升力是隨迎角增加而遞增的;但是迎角超過該臨界值後,翼型的升力將遞減。

    失速是飛機非常害怕的一種現象,前段時間著名的波音737max飛機失事,就是因為軟體檢測到迎角過大,從而自動俯衝,造成事故。失速以後,飛機很難控制,但是一個合格的飛行員,是可以從透過操控飛機,改出失速的。

    作為自由飛翔的鳥類,完全可以透過調整翅膀,來擺脫失速,這比飛行員控制飛機簡單多了。

    5、總結

    鳥類飛行高度大部分在1500m左右,只有部分大雁可以飛到接近萬米的高度。由於空氣阻力的存在,鳥類墜落的速度最終會平衡,平衡速度約35m/s-61m/s。這個速度的撞擊,依然會讓血肉之軀的鳥兒屍骨無存,不可能存活。鳥類可以自由的控制自己的翅膀,所以可以輕鬆的進入失速和改出失速,鳥類之所以從高空墜落不死,原因在於鳥是活的,可以隨時調整翅膀,改出失速。

  • 2 # 彩色雷電zsm

    貓沒翅膀。但有靈巧的身軀和敏感的重力感測器,從3米高度掉下來總是腳先著地。加上它彈性脊柱的緩衝作用它不會受傷。

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