书城科普读物科学伴你行-奇特的生物绝招
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第2章 飞禽走兽的启示(2)

鸟与飞机

约在公元1800年,气体动力学创始人之一的英国科学家凯利,曾深入地研究过飞行动物的形态,寻找最具流线型的结构。他模仿鸟翼设计了一种机翼曲线,与现代飞机机翼截面曲线几乎完全相同。法国生理学家马雷曾写过一本研究鸟类飞行的《动物的机器》的书,介绍了鸟的体重与翅膀负荷(即单位翅膀面积所负的重量)的知识。后来,俄国科学家茹可夫斯基在研究鸟类飞行的基础上,提出了航空动力学的理论,正是通过对鸟类的一系列的研究,终于找到了人类上天的关键所在。在人们模仿鸟类翅膀,采用大功率轻便发动机带动螺旋桨之后,美国莱特兄弟终于在1903年发明了飞机,实现了人类梦寐以求的飞上天空的愿望。

现代航空技术飞速发展,先进的飞机时速可达3700公里,但飞机的飞行本领有许多方面不及飞鸟。有一种“军舰鸟”,它的翅膀骨骼仅有100克重,而两翅展开却有2米多长,因此,它飞行时消耗的能量和动力非常少。比“军舰鸟”更节省“燃料”的是一种叫作金色鹬的小鸟,它从加拿大越海连续飞到南美洲,行程3900公里,而体重只减轻60克。现代航空技术若能赶上这种效率,那么一架轻型飞机飞行30公里,只需耗用0.5升汽油,仅相当于目前用量的1/9。

在西印度洋群岛上的蜂鸟,身长不过5厘米左右。就是这种小鸟,竟会做现有的任何飞机都做不到的各种机动灵活的飞行:向上高飞升至2000米的高空接着垂直下降,陡然起飞,掉头飞行,向后退着飞以及悬停空中等。如果一旦把它的飞行奥秘破译出来,对改善飞机性能将有宝贵的借鉴作用。

鸟类的飞行,还有其他许多优异特性是现代化飞机所不具备的。可以乐观地预测,继续深入地研究鸟的飞行并从中得到有益的启示,一定可以进一步改进现有飞机的性能,给未来新型飞机的设计增添异彩。

鸟与电子眼

科学家在研究中发现,许多鸟类都有高度敏锐的视觉,对运动物体简直是“明察秋毫”,如鸽子,它能在人眼视力所不及的距离上发现飞翔的老鹰。

科学家根据鸽眼机能原理制成的“鸽眼电子模型”,将可改进图像识别系统的性能。利用鸽眼发现定向运动物体的性质而改进的雷达系统,可设置在机场边缘和国境线上,它只能发现飞进来的敌方飞机和导弹,对飞出去的则不起反应。这样,便提高了发现目标的选择性和准确度。电子鸽眼还可用在计算机系统中,可自动消去与解题无关的那些数据。

鹰眼的敏锐度在鸟类中名列前茅,它比人眼敏锐1~2倍,而且视野非常开阔。展翅翱翔于两三千米高空的雄鹰,一下子便能发现地面上的小兔子和老鼠,而在高空飞行的飞行员用肉眼是很难发现和识别地面目标的。科学家正根据鹰眼的构造原理,研制类似鹰眼的搜索观测系统,即电子鹰眼。这项技术不仅能使飞行员的视野和视敏度得以扩大,还将会提高地质勘探、海洋救生、遥感探测等方面的工作效率,同时也可用来控制远程激光制导武器的发射。如果能制出具有“鹰眼系统”的导弹,它就能像鹰一样自动寻找和识别目标,并自动跟踪目标直至攻击成功。

鸟与天文罗盘

许多鸟类以及一些昆虫,具有利用天空偏振光来导航的本领,即使飞行几千公里,仍能准确无误地到达目的地或回巢。原来,这些鸟类感觉细胞的感光部分,使它们能够感觉天空偏振光的偏振面,因而也就可以定方向了,人们由此得到启示,制成了用于航空和航海的“偏振光天文罗盘”。这种偏振光罗盘的优越之处在于,即使乌云遮日,或者在太阳处于地平线以下时,仍然可以利用天空偏振光定向。在不能使用磁罗盘的高纬度的地区,就更显出这种偏振光罗盘的好处。

科学技术的发展是没有止境的,鸟类的特殊本领正在为科学家所不断认识、模仿、借鉴,从而造福于人类。

鸟与戈

大家对电视或电影中的古代战争场面比较熟悉吧!万马奔腾,狼烟滚滚,士兵们高举戈矛,奋声呐喊,跟随主将冲锋。

戈是古代战争中一种非常重要的武器,也是最早的进攻性武器。可是,你大概不会想到,戈是我们聪明的祖先受到鸟嘴和兽角的启发制造出来的。

啄木鸟尖尖的长嘴巴是那样的锋利,可以啄穿树木,秃鹰铁钩子一样的嘴巴可以致敌人于死地,犀牛的独角让兽中之王感到害怕,斗鸡在战斗中将对手啄得鲜血淋漓,鸟嘴和兽角保护了它们自身,是它们生存的必不可少的工具。

在石器时代,我们的祖先过着群居生活,靠打猎为生。刚开始的时候,他们围住野兽,用石块和木棒攻击野兽。但是,如果遇到巨大和凶猛的野兽,石块和木棒往往不能制服它们。祖先们发现,禽兽们常用嘴、角进行攻击和防御,因而受到启发,开始将兽角绑在木棒上,制成兵器,这就是戈的雏形。

后来,他们又用石头做成禽兽嘴或角的样子来制造戈。原始的戈虽然很粗糙,使用也不方便,但却体现了兵器制造较为先进的仿生工艺,是中国古代人类的一大贡献。

兽类骨骼的启示

兽类在长期进化中,形成了适合生存环境的种种形态,而保持这种形态的骨骼系统在强度、硬度和稳定性等方面是很完美的。中国的古建筑人字形屋盖与兽类的脊柱有点相像:房屋的大梁好像牛、马的脊椎骨;椽子(桁桷)好像牛、马的肋骨。

现代建筑普遍采用的“钢筋混凝土”结构,其中钢筋在建筑物中的作用,跟骨骼在动物身体中的作用一样。

艾菲尔铁塔是一座耸立在巴黎市中心的高达300多米的金属塔,它是法国著名工程师艾菲尔在1889年为巴黎博览会设计的,这座宏伟的铁塔是当时世界上最高的建筑,也是巴黎的象征。但其结构是艾菲尔不自觉地模拟和重复了灵长类动物小腿骨(胫骨)的结构,两者的表面角度完全相符。

古往今来,人类建造了无数桥梁,但细细分析,四足着地的兽类,前后肢也好像一座桥的桥墩,脊椎骨又恰似桥身。有些生活习性特殊的动物,如跳鼠,后肢特别长,它靠后肢跳跃和站立,整个身体的结构就跟单桥墩的悬臂桥相像,而吊桥跟终年在树上悬挂生活的树獭样子一样。

动物前爪的启示

二趾树獭的两只弯长利爪能牢牢地勾住树枝倒挂身体,不仅睡觉时不会坠落,就是它死后也还牢牢地挂在树上,主要原因就是它能依靠自身的重力使弯爪越勾越紧。这种结构为设计起重机挂钩提供了很好的模型,具有科学的力学原理。

食蚁兽的前爪可以轻易地刨开坚硬的地面,模仿食蚁兽的前爪制造出一种轻便的耕作机,肯定会大受农民的欢迎。犰狳、穿山甲、鼹鼠都是打洞的好手,根据它们的打洞方式去设计制造新型打洞机械,人们开掘隧道、采矿、挖煤将变得轻而易举。河狸是兽中的筑坝能手、“水利专家”,其效率和精巧程度令人叹为观止,值得人们借鉴。

企鹅与极地越野车

茫茫雪原上,到处是积雪,雪地上的摩擦力太小,车轮只能不断地空转,很难前进。但是,在冰雪终年不化的南极,平时是蹒跚而行的企鹅在紧急情况下却能以30公里/小时的速度在雪地上飞跑。这是什么原因呢?原来企鹅在南极生活了近2000万年,早已适应了那里的生活环境,成为“滑雪健将”

了。只要它扑倒在地,把肚子贴在雪的表面上,蹬动起作为“滑雪杖”的双脚,企鹅便快速滑行了起来。人们由此得到启示,设计并制造了一种“极地越野汽车”,它用宽阔的底部贴在雪地上,用转动的“轮勺”扒雪前进,行驶速度可达50公里/小时。这种汽车还可在泥泞地带行驶。

袋鼠与跳跃机

带轮的汽车在沙漠上行进很困难,但生活在广阔草原和沙漠地区的一种哺乳动物——袋鼠,却有一套快速运动的本领。袋鼠是靠强有力的后肢在沙漠上跳跃前进的,每小时可以跑上四五十公里。模仿袋鼠这种运动方式的无轮汽车——“跳跃机”已经试制成功,它在坎坷不平的田野或沙漠地区均可通行无阻。

兽类与人工发汗材料

兽类在散热方面有一系列的适应机制,例如有的动物是依靠减少体毛,增大皮肤表面积来实现的。如大象无毛,体表皮肤多皱纹,耳朵特别大,从而大大增加散热面。更多的动物是靠出汗来散热的,马皮肤中的汗腺特别丰富,奔跑中通过出汗可散发大量的热量。狗虽然没有汗腺,但它会伸出湿润的舌头靠喘气来散热;河马是耳朵内流汗散热;牛则通过口、鼻和脚趾间流汗散热。多数兽类皮肤都有一些汗腺,兽类出汗可散发大量热量的机理已启发科学家设计出了一种“人工发汗材料”,它能作为高效的耐高温材料。现已研制出一种含有金属的陶瓷材料,当温度升到一定范围时,金属就会熔化,进一步汽化蒸发,就如出汗一样带走大量热量,从而保护材料在高温下不致被烧毁,保持外形尺寸不变。这种材料在航天等领域内有特殊用途,现已投入应用。

响尾蛇与导弹

在美洲、澳洲、非洲的某些地区里,常会听到一种“嘎啦嘎啦”的声音,没有经验的人以为这是溪水发出来的流水声,可是在这声音的四周,却没有小河小溪。原来这不是什么流水声,而是由一种毒性极强的蛇,用它尾巴剧烈地摇动而发出的响声,这就是大名鼎鼎的“响尾蛇”。

为什么它的尾巴会发出响声呢?

大家在观看篮球比赛时,注意到裁判吹的哨子了吧!它是一个铜壳子,里面装上一层隔膜,形成两个空泡,当人用力吹时,空泡受到空气的振动,就发出响声。响尾蛇尾巴也有类似的构造,不过它的外壳不是金属,而是坚硬的皮肤形成的角质轮。由这种角膜围成一个空腔,空腔内又用角质膜隔成两个环状空泡,也就是两个空振器。当响尾蛇剧烈摇动自己尾巴时,在空泡内形成了一股气流,随着气流一进一出地返回振动,空泡就发出一阵阵声音来了。

角质轮的生长不是很有规律的,但据动物学家认为,大致上是一年长两轮。因此,根据轮的多少,就可以比较正确地判断出它的年龄来。

响尾蛇的角质轮所发出的声音,很像溪流的水声,用这种响声来引诱口渴的小动物,所以这也是一种捕食的方法。但是也有人认为,响尾蛇不会对敌人发出怒吼的噪声,于是只好用角质轮发出的响声来代替。另外,还有人认为这是蛇招呼蛇的信号。

响尾蛇经常捕捉耗子等小动物作为食物。奇怪的是,它的眼睛已经退化得快要成为瞎子了,怎么还能捉住行动那样敏捷的耗子呢?

科学家经过观察研究发现,响尾蛇的两只眼睛的前下方,都有一个凹下去的小窝,这是一种特殊的器官——探热器,能够接受动物身上发出来的热线——红外线。这种探热器反应非常灵敏,温度差别只有1‰摄氏度,它就能感觉到。所以,只要有小动物在旁边经过,响尾蛇就能立刻发觉,悄悄地爬过去,并且准确地判断出那个猎物的方向和距离,窜过去把它咬住。

美国有一种“响尾蛇空对空导弹”,上面有一套“红外导引”装置,在导弹上装上这种装置,就是从响尾蛇的“探热器”得到了启发。飞机的发动机温度很高,发出很强的红外线。“响尾蛇空对空导弹”是在飞机上发射的,靠“红外线导引”装置,能自动跟踪发出红外线的敌机,直到把它击中。

目前,人们制造的“红外导引”装置,只能感应5‰摄氏度的差别,而且构造要比响尾蛇的复杂得多。

蝙蝠与声音雷达

蝙蝠是人们所熟悉的动物,在夏天的夜晚,成群的蝙蝠在空中飞来飞去,捕捉各种有害昆虫。蝙蝠飞行能力很强,常有人把它误认为鸟,其实它与鸟差别很大,属于哺乳纲翼手目的动物。