游隼（游隼迁徙）
天下武功，唯快不破。
地球上最快的速度高手是谁？空中子弹 – 游隼当之无愧。
速度高手同台，飞人博尔特速度：12m/s，猎豹速度：30m/s（110km/h），游隼速度：108m/s（389km/h）。猎豹比飞人快3倍，游隼比猎豹快3倍还多。自然界最快速度跟机械动力比起来也毫不逊色，游隼快过高铁时速，快过了波音747的起飞速度（300km/h）。
看清图中的鸭子为什么会翻倒在地吗？鸭子被飞速掠过的游隼击毙，游隼的速度快到你的眼睛无法捕捉。
攻击鸭子的游隼个头不大，跟乌鸦差不多，体重只有1斤。就这样一只小鸟，击毙了比它大个的鸭子，收获大块鸭肉做晚餐。游隼是食肉猛禽，不抓老鼠不捉蛇，专门追捕其他鸟类做食物，速度是它所向披靡的利刃。
游隼有双敏锐的眼睛，能看到1公里以外的猎物，它的视力比你好8倍。当翱翔在高空的游隼发现低空中的猎物时，会居高临下地俯冲出击。它先扇动翅膀加速，并且不断旋转身体寻找最好的进攻角度。调整好身体姿态后，游隼弓背并腿，收起翅膀，缩拢尾巴，变成一枚炮弹，从空中俯冲直下，砸向猎物。在接近猎物的瞬间伸出利爪，划破猎物的肚皮。俯冲的游隼就像从高空中射出的一把尖刀，猎物一旦被尖刀扎中，当场毙命。
现在把上图的速度调慢6倍，可以看清游隼给了鸭子致命一击。
游隼的整个身体，都为高速高压打造。它极速俯冲时所受到的气流冲击，会让大部分的动物都无法睁开眼睛，也无法呼吸。游隼眼睛里多了一层眼睑，叫瞬膜，保护高速飞行时睁开的眼睛不受伤。鼻孔里多了一块锥体骨，缓解气流冲击，保证高速飞行时呼吸的通畅。当它砸向猎物时，冲击力高达25倍重力加速度。相比之下，优秀的F16战斗机飞行员能承受的最高重力加速度只能达到12倍。[头条-法兰西is培根-未经授权请勿转载其他平台]
上图是游隼俯冲时的4级阶段，开始出发，炮弹型加速，M型调节方向，最终攻击。从展翼旋转，收缩加速，微开翅膀调节方向，到最后的踢腿出击，游隼变换了4种身姿，最快速度出现在游隼身体收缩成炮弹型的第2阶段。
炮弹型的身姿在俯冲时受到的空气阻力，还有环绕身体的空气气流对身体的影响会是什么样？
德国弗莱贝格工业大学，力学和流体力学研究所团队，做了聚氯乙烯的游隼模型，在风洞中进行测试。模型大小重量形状跟真实游隼的炮弹型身姿一样，表面抹上厚厚一层石蜡油，当风洞中的气流流过模型表面时，会划出一道道的线条，记录下风的痕迹。
上图是穿越风洞的模型，游隼模型以最大速度80km/h经过风洞。历经风洞后，可以清楚看到空气气流流过模型身体的踪迹。模型头部划出平行的匀称流线，接着有一块明亮的白色区域，在图中数字1处，说明此处的石蜡油有所堆积。接着气流继续汇集平行流线，在翅膀的区域2处，有黑色区域，说明这里局部的速度最高。当气流来到区域3处时，又出现白色的石蜡油堆积。区域2和3之间，流线排列相当整齐。
高速的气流并不是从头到尾均匀地流过身体，石蜡油堆积的区域发生了气流分离现象。也就是说，在1、3部位，气流的方向跟顺势而下的主气流方向不一样，逆向气流把石蜡油反方向推离模型表面，堆积起来。
飞行中出现气流分离可不是好现象，航空史上，气流分离会让飞机发生失速，这是导致飞机失事的主要原因之一。接下来以机翼举例，简单介绍一下飞行中的气流分离。
飞机机翼跟鸟儿翅膀一样，侧面呈弧形弯曲。水平气流流过机翼时，上表面的气流流线密集，速度快，压强低，相比之下，翼底的气流流线稀疏，速度慢，压强高。上下气流流经机翼后汇集，压力差产生了飞机的升力。
空气流过机翼时，并不能始终贴着表面流动。当迎面而来的气流方向跟飞行方向的夹角（也叫机翼迎风的迎角，或攻角）变大时，靠近机翼翼面的气流流速变慢，此时前方的气流持续流过来，先前的减速气流成了阻碍，让后来的气流没法贴着机翼表面流动，主气流抬高，绕过表面流动，机翼表面形成一段跟主流方向逆向的回流区。
上图是气流分离示意图，如果气流分离开始的地点靠近机翼后缘，气流分离比较弱。如果分离点靠近机翼前缘，气流分离则很强。图中可以看到：迎角越大，越容易产生强气流分离时。当机翼表面的气流迅速分离，上表面气流流速骤减，机翼失去升力，产生失速现象。失速本质是机翼上表面的气流流速不足，而不是飞机的速度不足。失速时飞机失去升力，会急剧下降，发生摔机。
2009年6月法航447号班机坠落大西洋，机上228名人员全部罹难。坠机正是因为失速导致，当时飞机遭遇暴风，空速管冻结，飞行脱离了自动驾驶模式。当机组人员手动接管飞机时，拉杆爬升，导致飞机迎角过大，机翼出现强气流分离，引起了失速。而机组人员忽略了失速警报，没有压低机头，导致飞机坠毁。
飞机失速坠落时，不能逆向拉高机头让飞机往上飞，而是要顺势调低机头，减小气流迎角，缓解气流分离现象，让飞机重新获得升力。
了解了气流分离的严重性，现在重新回到游隼俯冲的研究。游隼身体模型上出现了气流分离现象，现实中应该影响到它的俯冲速度和方向，但是游隼在真实飞行中并没有发生类似飞机失速而失控的情况，它是怎样做到的？
模型的风洞实验解不开气流分离的难题，德国工程师团队干脆饲养了一批游隼，实时观察它们的飞行。团队训练游隼在60米高的水坝前俯冲，岸边架起高速摄像机，以坝体为背景，能够清晰捕捉到游隼的身姿。
60米的高度不能让游隼加速到最高速度，水坝前的游隼最高速度是22.5m/s （81km/h）。团队根据游隼的实际飞行速度和角度（此时的迎角为5º），计算了空气阻力，再次在风洞进行模型模拟测试。测试结果跟之前一样，模型身体的相同部位依然留下了气流分离导致的石蜡油堆积。
此时，摄像机捕捉到的细节揭开了真相，现实俯冲中，游隼跟模型有一小点儿不一样的地方。在游隼加速时，背脊处会竖起一小撮毛，而此处正是产生气流分离的地方。
上图是风洞模型和实际身姿的对比，红色箭头所指之处就是游隼竖起的几根羽毛。正常情况下，炮弹型身姿的游隼全身羽毛服帖地紧靠身体，保持平滑的流线型弧度。当它俯冲冲刺时，在合适的时间合适的位置，弹出几根羽毛，破解了局部的气流分离。
只要一小撮毛就能化解气流分离的困扰，游隼不仅带给航空工程师巨大震撼，还给他们推开了另一扇窗--设计像羽毛一样有弹性的襟翼。伦敦大学机械团队，在飞机机翼（NACA0020翼型）上安装一个有弹力的柔性襟翼，相比于以前刚性材料制作的襟翼，加了柔性襟翼的机翼在爬坡时，平均升力有增加。尤其在大迎角的情况下，柔性襟翼能显著提高升力。只要调节襟翼参数，就能维持机翼动力的稳定性。
不懂公式不会计算，游隼在实战中捕捉变幻的气流，调节身姿融入其中。高手出招，在准不在狠。游隼四两拨千斤，一根羽毛就化解了气流分离的困境，加速无极限。
自然界一直走在我们的前面，每条生命都有我们比不上的天赋。仰望星空，震撼心灵的不止有漫天繁星，还有那些划过天际的鸟儿。
#这很科学#
参考资料：
1： “Diving-Flight Aerodynamics of a Peregrine Falcon (Falco peregrinus)”，by Benjamin Ponitz, etc. PloS One, Feb.5, 2014
2：“Aerodynamics of the Cupped Wings during Peregrine Falcon’s Diving Flight”, by Benjamin Ponitz, etc.
3：“Vortices enable the complex aerobatics of peregrine falcons”，by Erwin R Gowree, etc. Nature, Communications Biology 1, Apr.5, 2018
4：“World’s deadliest: superfast flyer makes a kill”， National Geographic， 2013
5：“Peregrine falcon sky dive-inside the perfect predator”， BBC， 2010
6：“Automatic aeroelastic devices in the wings of a steppe eagle Aquila nipalensis”，Journal of Experimental Biology
7：“The PELskin project-part V: towards the control of the flow around aerofoils at high angle of attack using a self-activated deployable flap”，by Rosti ME. etc. Sep.27 2016
作者有话说：今天更新自然界里的秘密系列文章，这是第10篇：冲刺的鸟。一根羽毛就解决了航空史上的气流分离难题，游隼带给我的震撼太大，我得缓缓才能继续本系列的更新了。下一篇新开一个系列，写写动物们回家的路。风餐露宿，山水迢迢，飞鸟游鱼回家的路比我们艰辛太多。
