昆蟲飛行的謎團，蜜蜂為什麼不遵守空氣動力學它也能飛上天

昆蟲獨有的飛行能力令科學家歎為觀止。按照傳統空氣動力學原理來看，蜜蜂是根本無法飛上天的。昆蟲飛行是20世紀的一大謎團，最近人們才終於發現它們飛行軌跡中所顯露的一些奧秘——

空氣動力學誕生之初，科學家就注意到昆蟲的飛行有點詭異。早期研究表明，昆蟲是通過快速拍打它們的翅膀來飛行的，可這種力量太小，依據它們的體重與飛行力量比率，科學家根本不可能製造出人類的飛行器。
1934年，科學家安托萬·馬恩萊和安德烈·桑切斯古進行蜜蜂的飛行研究。他們應用數學分析和已知的飛行原理來計算蜜蜂的飛行，得出的結論是，理論上說“蜜蜂飛行是不可能的”。自那以後，蜜蜂成了不遵守空氣動力學原理的典型。
科學家下此定義的原因是，他們不可能製造出可以閃動翅膀的飛機。要產生30萬倍的呼吸效率，對於人類而言是無法想像的事情。
昆蟲翅膀溯源

昆蟲飛行的起源，至少可以追溯到3.5億年前的古生代，那時候的地球是沼澤的天下。沼澤又是昆蟲的理想樂園，所以，那時候的地球到處是昆蟲，但都是沒有翅膀的，它們當時還不需要這樣累贅的東西。世界著名昆蟲學家馬修·道格拉斯在堪薩斯大學所進行的研究證明，那時的昆蟲只有附翅，這是長在昆蟲胸腔部位的小小的翅狀突起，也叫垂下物。它們的功能本來是用來吸收太陽的熱量，這樣可以在氣溫下降時提高昆蟲的體溫。

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到了古生代的石炭紀，出現了戲劇性的一幕：兩棲類動物和爬行類動物開始大量登陸，它們均以昆蟲為食。這樣一來，除了原先的天敵蜘蛛和蠍子以外，昆蟲又有了第三類致命的敵人。起先，昆蟲是用跳躍的方式來逃脫兩棲動物的襲擊的。幸虧昆蟲胸部的垂下物能使它們騰空而起，儘管距離很短，卻足以使它們死裡逃生。
符合適者生存的進化法則，活下來的昆蟲其附翅就逐漸開始發育，而且逐漸形成翅膀的雛形。昆蟲學家們推測，有一些昆蟲在拚死逃命而跳躍的時候，會拍打它們那小小的翅形垂下物，以便使自己能滑翔得更遠些。最後，這些垂下物就發育成為展開的漂亮的翅膀。昆蟲用胸部強勁的肌肉來撲動它們的翅膀，因而可以飛得很遠，使食肉動物可望而不可及。

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妙不可言的氣旋

波音747飛機不會像昆蟲一樣搧動翅膀，卻同樣可以飛起來，這是因為它使用350噸的爆發性能量，並在機翼形狀設計上下了足夠的功夫，所以才能夠獲得巨大的上升力。如果飛機像鳥和昆蟲一樣振翅的話，周圍便會產生空氣漩渦而造成失速和墜落。
對於只有0.056克的紋白蝶來說，它的飛翔方式卻是無法用這個定理來解釋的。若以流體力學來解釋的話，也會得到“昆蟲會掉下來”的結論。

直到1998年，英國劍橋大學的理查得·亨廷頓教授才清楚說明了飛機和昆蟲飛行方式的不同。秘密就蘊藏在神奇的氣旋中。
空氣是什麼？空氣可不是你所想像的那麼無所謂，它可是既有體積又有質量，而且還是具有一定黏性的東西。例如，乘坐雲霄飛車時，由於風壓所以整個身子會向後仰。重量輕的紋白蝶，當它起飛時，能量一下子就會用完。然後它會用肌肉攪動有黏性的空氣，讓翅膀周圍的空氣產生漩渦，並藉由此產生的反作用力，以盤旋而升的氣流力量讓它得到上升飛行的能力。當翅膀由上往下拍打時，身體便往上浮起，翅膀舉起的時候便開始了飛行前進。情形和道理頗像是人類的碟泳前進。
為了更詳盡地揭示蜜蜂等昆蟲的飛行奧秘，亨廷頓教授團隊花費近一年的時間，製作出一隻個頭稍大些的機械天蛾，它具有用微型電池提供動力的翅膀，搧動力度和角度與真正的天蛾基本相同。研究人員把它放進風穴中，然後用超高速攝像機拍下它飛行時翅膀表面煙霧移動的三維畫面。一些未知細節讓大家眼前一亮——娥和蜜蜂等昆蟲在起飛時，它們翅膀的前緣處會產生一個急轉的螺旋形氣團，正是這個氣團給了它們一種額外的升力。

仔細觀看三維影像畫面後，研究人員發現當昆蟲向下振動翅膀時，氣流上升到翅膀以上，並在整個翅膀前緣部位形成一串圓筒狀氣旋。這個氣旋是個圓錐形螺旋，翅膀根部的螺旋很小，越到翅尖，螺旋越大。
整個氣旋與翅膀前緣保持水平，並緊貼前緣。從翅根到翅尖，這個氣旋強度逐漸減弱、消失，接著被另一個新產生的氣旋所取代。氣旋移至翅尖後又延伸到昆蟲的尾部，循環往復，這樣一來，兩個翅膀振動所產生的氣旋就構成了一個環形。昆蟲每振翅一次，就在雙翼前緣處形成一個氣旋，然後又沖出這個氣旋。此時它翅膀處在氣團包裹中，但翅膀的下一次振動所形成的氣旋卻再次為它提供升空的動力。
亨廷頓教授興奮地說，飛行試驗證明，這個氣旋在昆蟲的翅膀上空造成了一個低壓區，在周圍高壓的推動下，處在低壓區中心的翅膀就會被吸引上升。每個低壓區都會被周圍的高壓區所托起，使處在低壓區的昆蟲獲得上升的力。
以前，空氣動力學家懷疑昆蟲振動翅膀產生的前緣氣旋可以獲得足夠上升的力量，那是因為他們沒有看到這個氣旋的細節，而過於保守了。
亨廷頓團隊的發現獲得了學界權威的首肯，他們認為這一發現的重要意義在於第一次證實昆蟲翅膀前緣處的氣旋是螺旋狀的，呈圓錐形由翅根向翅尖推進。這種移動方式使整個氣旋保持穩定，推遲了氣旋與翅膀相分離，使氣旋儘可能長時間地給昆蟲提供上升的推力。
在揭示神秘氣旋之前，亨廷頓還闡釋了為什麼昆蟲長時間飛行卻不會疲勞的奧秘。原來，絕大多數昆蟲都在胸部長有8至10對氣門，也稱呼吸口。它們雖然沒有肺，無需通過血紅蛋白，卻可以直接將氧氣輸送給肌肉，這種供給效率竟然是人類的30萬倍。所以，它們可以長時間並輕鬆地搧動翅膀。
姿態控制尚未知

小昆蟲的確蘊含著大秘密。亨廷頓及圈內專家都清楚，瞭解了氣旋與肌肉供氧還只是初步階段，昆蟲飛行還有諸多奧秘有待探索。比如，科學家還不能解釋昆蟲在空中是如何控制身姿的，因為它們不會靜止停留在空中。還有，它們是怎樣應對風向和風速變化的？而要瞭解昆蟲是怎樣控制和順應這些外力條件的，無疑是十分複雜艱難的事。亨廷頓多次坦率地表示，這顯然不是一兩代人能解決的，這既需要多學科的聯合，更需要主流科學的發展。