古代翼龙是一种飞行缓慢的动物,它借助轻柔的气流滑翔,可以翱翔数小时。布里斯托大学的研究生科林·帕尔默运用他作为涡轮工程师的专业知识,对翼龙翅膀模型进行了首次风洞试验,得出了这一结论。
翼龙是巨大的爬行动物(但不是恐龙),它们生活和飞行直至6500万年前。化石记录表明,它们独特的肢体可能支持飞行,但与蝙蝠翅膀或鸟类翅膀不同,它们是由活体膜构成的,这种膜由肌肉和组织加强,像帆一样张开在一根长骨上。由于没有活体类似物,翼龙起飞、飞行和降落的力学原理一直是部分推测和部分理论。11月15日发表在PLoS ONE上的一项研究填补了谜题的一些碎片,并为动物如何起飞提供了一种解释:翼龙使用所有四肢从地面起飞,在半秒内达到非常高的速度,并迅速升高高度。现在,帕尔默对翼龙翅膀模型进行风洞试验是这个故事的第二章,它补充了关于这些爬行动物如何利用其独特的肢体保持在空中的完整画面。结果详见11月24日出版的英国皇家学会学报B:生物科学在线版。
帕尔默用碳纤维和环氧树脂的组合设计了薄而弯曲的翼片,翼展约为20英尺,模拟了基于化石证据的翼龙翅膀结构。然后,他测量了不同风况下的阻力和升力,改变了支撑骨横截面的形状。他的结果表明,翼龙翅膀对热气流非常敏感。翼龙用四条腿起飞后,会拍打翅膀,直到抓住从海洋或炎热陆地上升起的这些小股暖空气,然后轻松地借助这些气流翱翔数小时。对于较大的翼龙来说,翱翔比拍打翅膀飞行更省力。帕尔默的研究还表明,与冲入风暴和驾驭强风信天翁不同,笨拙的翼龙很难驾驭强风。
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“我认为他研究的整体膜动力学非常好,”查塔姆大学的翼龙专家迈克尔·哈比卜说,他共同开发了翼龙起飞的四足起飞理论。“但我有点怀疑它们对湍流和强风的极端脆弱性,”哈比卜说。哈比卜说,活的翅膀膜层叠着组织和肌肉,能够收紧和放松各个部分,更好地控制飞行,尽管这些是帕尔默测试的重建模型所预期的机械限制。“我实际上认为[活体]膜可能比他允许的具有更多的控制力。”
根据帕尔默的重建,翼龙飞行缓慢但控制良好,翼龙可以在一个区域内阴森森地盘旋数小时,像鹰或老鹰一样,也许在等待猎物从藏身之处出现。“我认为这有点令人敬畏,也有点可怕,”哈比卜说,“因为如果你谈论的是翼展4英尺的掠食者是一回事,但如果它的翼展是35英尺,那就是另一回事了。”
缓慢翱翔的翼龙也会缓慢降落,这可能有助于保护其适应飞行的轻型骨骼,这些骨骼不适合高冲击力。“就像客机一样,你在着陆和起飞时不必高效;你只需要缓慢,这样你就不会损坏任何东西,”帕尔默说。真正的翅膀是他的重建模型的更复杂版本,会像船帆一样松开或收紧。“无论是翼龙还是帆船,物理学都是物理学,”帕尔默说。
这项研究还提供了化石证据无法触及的翼龙生活史的一个片段,表明这些爬行动物生活在靠近陆地或海洋开阔空间的温暖热气流附近。“化石显示动物在哪里死亡,或者在哪里被冲上岸,”哈比卜说。“像帕尔默的工作这样的东西告诉你它们活着时喜欢在哪里度过时光。”