世界上游得最快的鸟类背后的物理学原理

企鹅不仅可爱：它们的速度也很快。巴布亚企鹅是世界上游泳速度最快的鸟类，这种能力来自于它们独特而复杂的翅膀。

在AIP 出版的《流体物理学》一书中，来自中国科学院大学、中国科学院和拉卡邦国王技术研究所的研究人员开发了一个模型，用于探索企鹅翅膀在水下产生的力和流动结构。他们确定机翼羽化是产生推力的主要因素。

企鹅的翅膀，又名鳍状肢，与覆盖有鳞片羽毛的飞机翅膀有些相似。为了最大限度地提高水下而非空中的效率，企鹅的翅膀比飞鸟的翅膀更短、更平坦。

这些动物可以通过主动羽化(改变翅膀的角度以减少阻力)、俯仰和拍打来调整游泳姿势。它们又密又短的羽毛还可以锁住皮肤和水之间的空气，以减少摩擦和湍流。

“企鹅具有出色的启动/制动、加速/减速和快速转弯游泳能力，这要归功于它们自由挥动的翅膀。它们允许企鹅在水中推进和操纵，并在陆地上保持平衡，”作者 Prasert Prapamonthon 说。“我们的研究团队总是对自然界中对人类有益的复杂生物感到好奇。”

流体动力学模型吸收有关机翼扑动和羽化的信息，包括幅度、频率和方向，以及流体参数，例如速度和粘度。它使用浸没边界法求解机翼的运动以及推力、升力和侧向力。

为了确定翅膀在物种之间的运动，研究人员使用翅膀扑动速度与前进速度的比率。该值避免了空气和水之间的任何差异。此外，作者还定义了由机翼角度决定的推力角。这两个参数对企鹅的推力都有重大影响。

“我们提出了推力角的概念，这解释了为什么翅片机翼会产生推力：推力主要由攻角和机翼与前进方向的相对角度决定，”普拉帕蒙顿说。“推力角是研究扑动运动产生推力机制的一个重要概念，对于设计机械机翼运动很有用。”

这些发现可以通过快速估计推进性能来指导水上交通工具的设计，而无需高昂的实验或计算成本。

未来，该团队计划研究更逼真的 3D 企鹅模型。它们将结合不同的机翼特性和运动，例如启动、制动、转弯以及跳进跳出水中。

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