鳥類以V字形飛行時的能量節省

 (https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2606668123)

 生物類群普遍存在集體運動模式：昆蟲集群、魚群和鳥類群。特別值得一提的是，許多大型候鳥會形成清晰有序的V字形隊形，實驗和直接數值模擬都已證實，這種隊形在長距離飛行中能顯著節省能量。然而，支撐這些優勢的具體空氣動力學和形態學機制仍不清楚。這篇論文建構了一個降階模型，用於描述兩隻並排飛行的拍翅鳥類之間的尾流渦旋相互作用。此模型保留了非定常拍翅動力學的基本特徵，同時保持了計算的可處理性。透過優化包含跟隨鳥三維相對位置以及三個獨立拍翅參數的六維狀態空間，研究結果確定了北禿鹮（Geronticus eremita）能量最優的領頭-跟隨鳥隊形。預測的最優隊形與活鳥的測量結果在數量上吻合。由於模型的簡潔性，可以直接探究導致這種最優隊形的物理機制。該模型尤其精確地解析了跟隨機機翼運動學如何與領航機尾流相互作用以提升氣動效率。模型預測，編隊飛行中跟隨機的總機械功率將降低11%——這與實驗估算結果一致——並表明，這種功率節省源於誘導功率和翼型功率的降低，其中翼型功率的降低主要歸因於拍動幅度減小，其次是上沖程彎曲幅度減小。這些結果為V形編隊的結構提供了機制解釋，並有助於深入了解控制集體飛行的氣動原理。