本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点。
Jen-Luc Piquant 本周注意到几则关于所谓飞蛇物理学最新研究的新闻报道。 碰巧的是，早在 2010 年，在我加入《大众科学》的博客网络之前，我就写过关于这个的文章，因此值得在此重温那篇原始帖子的部分内容，以及新的研究成果。 你知道，是为了提供背景信息。 而且还因为飞蛇非常棒，并且在空气动力学方面也很有启发意义。 那么，开始吧！
印第安纳·琼斯可能是一位冒险、寻求刺激的考古学家，他曾傲慢地声称“我是科学家。没有什么能让我震惊。” 但有一件事众所周知地让他害怕：蛇。 是的，印第安纳·琼斯是一个恐蛇症患者（恐蛇症 = 害怕蛇）。 这在《夺宝奇兵》的开场镜头中就已确定，当时他遇到了飞行员的宠物“雷吉”，后来又被用于喜剧效果，当时他和他的忠诚向导终于找到了方舟的秘密藏身之处，却向下望去，看到地板在黑暗中，嗯，在移动。“蛇。为什么非得是蛇？” 印第安纳·琼斯呻吟道。 他的朋友并没有提供什么帮助：“蝰蛇。非常危险。你先走。”
所以想象一下印第安纳·琼斯会对Chrysopelea paradisi（一种常见的树栖蛇，常见于东南亚和南亚）作何反应，这种蛇喜欢从树上高高的栖息处把自己扔下来，展平身体，滑翔到地面，或者另一棵树——或者你的头上！ 没错：这些蛇会飞，并不是因为它们入侵了一架客机，目的是吓坏塞缪尔·L·杰克逊。（我们都厌倦了那些在XX飞机上的蛇，对吧？） 它们利用这种能力更快地到达新的地点，捕猎猎物（！），有时也作为一种防御机制。 归入“该死，大自然，你真怪异”类别。 这会给印第安纳·琼斯和他的恐蛇症同伴们带来一些噩梦。
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但是这种飞蛇属让像杰克·索查这样的科学家着迷，他目前是弗吉尼亚理工大学一位自称的“生物体生物力学家”。 他研究这些生物已经近 20 年了，发现它们不寻常能力的生物力学非常复杂。
正如索查告诉《卫报》的那样，博物学家在 1800 年代后期首次注意到蛇在空中飞行，“当时一位在东南亚的英国科学家碰巧看到一条蛇穿过他的茶园。” 然而，出于某种原因，尽管对鸟类飞行进行了大量的研究，但没有人费心去调查蛇究竟是如何完成这一壮举的。 索查决定填补这一空白。
索查于 2002 年在《自然》杂志上发表了他的初步研究结果，当时他在芝加哥大学，概述了基本的空气动力学原理。 在起飞之前，蛇会将其脊鳞抵住粗糙的树干表面，以便爬到选定的树枝上。 然后它悬挂在末端，其倾斜角度在决定其飞行路径中起着作用。 然后它收缩身体，形成向上的推力运动，将自己发射到空中，并利用身体创造出一种“伪翅膀”，以获得最大的滑翔距离。
具体来说，蛇会吸入腹部，并可以利用肋骨展平身体形状，从而产生“飞盘”效应：飞盘的设计具有横截面“凹面”（即，其形状在底部向内弯曲），这会增加飞盘下方的气压，从而提供升力。 飞蛇扁平的身体具有类似的凹面。 虽然飞盘通过旋转来增加气压，但动物会在空中波动以产生相同的效果，其 S 形运动类似于游泳或甩鞭。（上面是Chrysopelea pelias飞行中的照片。）
在后来的2005 年发表的一项研究中，索查仔细研究了滑翔角和水平速度等变量，并将这些变量与蛇的大小和行为变量（包括质量、体长以及波幅和频率（“波”是指蛇在飞行过程中身体的波动））相关联。 他发现波频率实际上并不是飞行行为的重要预测指标（尽管稍后会详细介绍）。
哪些因素重要？ 嗯，尺寸很重要——但就这种情况而言，尺寸较小绝对更好。 体长、质量和波幅是预测指标，索查发现，较小的蛇比更大的蛇可以水平滑翔得更远。 波动似乎是为了稳定飞行中的蛇。
最近（大约 2010 年），索查决定研究Chrysopelea paradisi，当它们从连接到 15 米高塔的“树枝”上跳下来时，用四台摄像机记录蛇在滑翔时的运动。 基于这些镜头，他的团队能够创建蛇在飞行中身体位置的 3D 模型，并分析作用于它们蛇形身体的各种力和基本的滑翔动力学。
他们从中了解到什么？ 嗯，首先，蛇可以从发射点行进 24 米远，尽管它们从未完全达到索查所描述的“平衡滑翔状态”。 这被定义为力的完美平衡：蛇身体的扭曲产生一些“升力”，以及重力将它们向下拉。 如果平衡是完美的，蛇将以恒定的速度和恒定的角度滑翔。
但它们正在滑翔：它们当然不会直接掉到地上，然后“啪”的一声。“蛇被向上推——即使它正在向下移动——因为空气动力向上分力大于蛇的重量，”索查解释说。 事实上，如果这种效应无限期地持续下去，在某个时候，蛇就会开始上升，但与往常一样，重力最终会获胜。 蛇在撞到地面之前只能滑翔这么远。 至少，这应该给印第安纳·琼斯带来一些安慰。
那么，索查对这些迷人生物的持续研究有什么新进展？ 嗯，在 1 月份，他在《实验生物学杂志》上发表了一篇论文，报告了一项关于 3D 打印的扁平滑翔模式飞蛇模型的实验结果。 他将其浸入流动的水箱中，然后研究流体流动模式。 本月，他与乔治华盛顿大学航空工程师洛雷娜·巴巴合作，在《流体物理学》上发表了一篇新论文，内容是他们对蛇在滑翔时身体周围复杂的漩涡气流模式进行的新计算机模拟。
他们发现，秘密的另一部分可能是吸力。 蛇在飞行过程中呈现出的扁平的改良形状使其身体更符合空气动力学，特别是由于空气涡流在它们上方形成的方式而产生升力，将它们向上吸——尤其是在考虑到蛇的首选迎角（20-40 度之间）的情况下。 巴巴将其比作龙卷风眼中的低压区域。
但索查对飞蛇的研究仍未结束。 接下来，他想再次研究那种波动运动； 考虑到所涉及的复杂气流模式，虽然建模要困难得多，但它肯定有助于这种生物独特的滑翔能力。 因此，预计在未来几年内会看到更多关于飞蛇物理学的见解。
参考文献:
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Socha, J.J.，K. Miklasz, F. Jafari, P.P. Vlachos. (2010) "飞蛇滑翔的非平衡轨迹动力学和运动学"，《生物灵感与生物模仿》 5: 045002。
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