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一条离水的鱼通常不是优雅或令人印象深刻的景象，除非这条鱼会飞——或者悬停在实验室风洞内。
飞鱼科的成员依靠异常巨大的胸鳍和腹鳍在海浪之上翱翔，这些鳍充当翅膀。尽管科学家们已经研究了这些奇特的有鳍滑翔者的解剖结构和行为，但对飞鱼空气动力学的理解从未超出有根据的猜测：研究人员根据其他具有相似形状翅膀的滑翔动物的已知空气动力学特性来推测物理原理。现在，首次，一对研究人员直接测量了风洞内气流绕飞鱼鳍的流动方式，使用这些数据证实了早期关于鱼类如何飞行的假设，并得出结论，这些鱼的滑翔能力与某些鸟类相当。这项新研究由韩国首尔国立大学的机械工程师朴亨民和崔海川进行，发表在九月份的《实验生物学杂志》上。
“以前，没有任何关于升力和阻力的真实实验数据，”宾夕法尼亚州西切斯特大学的动物学家弗兰克·费什说，他研究过飞鱼，但没有参与最近的研究。“这是一个进步，因为他们实际上已经采集了动物的身体并将它们放入风洞中。”
首尔全国渔业合作联合会为崔和朴提供了 40 条在日本海（东海）新鲜捕获的黑边翅飞鱼 (Cypselurus hiraii)。在将鱼冷冻在冰柜中后，研究人员选择了五条大小最相似的鱼，并请韩国海洋动物研究中心干燥并填充鱼的身体，使用聚氨酯泡沫来保持适当的解剖结构。研究人员展开了三条填充鱼的胸鳍和腹鳍，使其类似于双翼飞机，他们只展开了第四条鱼的胸鳍，并收回了第五个标本的所有鳍，使其形状像鱼雷。然后，研究人员将每条鱼放入风洞中，并比较了空气如何在不同排列的鳍周围移动。实验人员还将力传感器连接到鱼身上，并改变它们在隧道内的身体角度，以评估哪些角度产生最大的升力或阻力。
在进一步的测试中，研究人员在隧道下方安装了一个水箱，以研究刚好在水面之上滑翔如何改变气流绕鳍的流动方式。为了更清楚地看到这些影响，实验人员还观察了烟雾如何绕鳍流动。
分析产生了一些关键发现。首先，崔和朴证实，在风洞中获得最大升力的角度与飞鱼在野外从水中跃出时所处的陡峭角度相同。其次，研究人员发现，当鱼类完全平行于水面滑翔（在自然界中观察到）时，它们最大限度地提高了升阻比，确保它们尽可能长时间地保持在空中。第三，崔和朴观察到，胸鳍和腹鳍的双翼飞机结构有助于稳定鱼在飞行中的姿态，防止它们向上或向下俯仰。第四，他们确定飞鱼的滑翔效率与某些鸟类（如鹰、海燕和林鸳鸯）一样高，所有这些鸟类都是优秀的滑翔者。最后，他们发现，由于一种称为地面效应的现象，飞鱼在刚好在水面之上滑翔时实现了令人难以置信的高效飞行——阻力降低高达 14%。
通常，一条在距离水面一定高度滑翔的飞鱼会因鳍表面上的气压差而感受到阻力。鳍下方的气压高于上方，“下方的高压想要向顶部的低压移动，”费什解释说，“但这只能在翼尖处发生，气流开始绕翼尖移动并向上到达[翅膀]顶部。由于您在向前移动，因此会形成翼尖涡流——一个旋转的质量，在动物的每个鳍或翼尖后方形成一条长长的旋风尾迹。”这些涡流是诱导阻力的主要来源，但是当鱼靠近水面时，涡流开始分解。与此同时，鳍下方的压力增加，从而增加升力。综合效应使得刚好在水面之上滑翔比自由飞行更节能。地面效应也是飞机即将降落在跑道上时您可能感觉到的轻微震动的原因。
飞鱼可以通过将地面效应与一种称为滑行的行为结合起来，在空中停留长达 400 米的距离，在滑行中，它们在仍然在空中的时候拍打尾巴穿过水面，以便在它们有沉入水面以下的危险时重新加速。一些飞鱼甚至进化出了专门的尾鳍，其下叶增大，在滑行期间提供更大的推力，以帮助它们保持在空中。关于飞鱼飞行的原因，主要有两种假设：一种假设认为鱼类飞行是为了逃避海洋掠食者；另一种假设认为鱼类在滑翔而不是游泳时可以节省能量。
尽管费什承认根据对填充动物的实验室测试得出关于自然界行为的结论存在固有的缺陷，但他认为这项新研究是对飞鱼空气动力学迄今为止最准确的测量。“你使用填充系统或模型时总是会遇到的问题是它实际上有多接近现实：例如，我们不知道翅膀展开时的确切几何形状，”费什说。“但这能让你进入大致范围吗？它比以前完成的工作更接近近似值。它可能非常接近现实。”崔强调了他如何小心地保护鱼的活体解剖结构，尤其是脆弱的鳍。
费什和崔都认为，这项新研究可能对飞机设计具有应用价值。“也许飞鱼的设计非常适合在水面之上旅行并节省燃料消耗，”费什说。“可以想象，我们可以有小型信使在海洋上空飞行。”崔指的是改进翼地效应 (WIG) 飞行器的设计，这些飞行器是专门为利用地面效应而建造的。“我们接下来的研究方向之一，”崔说，“是将我们从飞鱼身上学到的知识应用于这些特殊飞机。”