“我们从空中看到的一切是如此简单而美丽，”乔治亚·欧姬芙在她第一次乘坐飞机后写道，“我不禁感到这将为人类做出一些奇妙的事情——如果更多的话，它会消除人类的渺小和琐碎。”人们飞起来了。”
我是在飞机上写这篇文章的。一只住在我的金属和玻璃空中笼子里的地球猿，我想知道如果我们能够飞翔的话，在物种的灵魂中我们会是谁——真的飞翔，就像鸟类一样；如果我们生来不只是看到“世界变得简单、美丽、图案清晰”，就像乔治亚从那扇小圆窗里看到的那样，而是感受到它。然而你我永远不会知道开阔的天空是一种存在方式——永远不会知道热气流的触感或雷雨云的味道，永远不会看到我们在山上裸露的影子或用翅膀切开卷云。生活在这个淡蓝点上却不知道它是蓝色的，这是多么残酷的宇宙命运啊。然而，我们得到了一种能够惊奇的意识的回报——理解边缘的边缘状态，心灵接触神秘的地方。
正是奇迹引导我们发明了科学——好奇心的加速推动着每一个发现——这样科学就能以放大的奇迹回报我们，因为它揭示了自然的纬纱和经纱——力量和现象的织锦，微妙和复杂的织锦，在现实的魔法织机上。更仔细地观察任何一根线索，以及其隐藏的奇迹，就是更清楚地看到整个挂毯如何结合在一起，加强我们自己如何在生命的弧线中结合在一起。因为，正如雷切尔·卡森（Rachel Carson）如此令人难忘地写道，你能给孩子——或者你内心永恒的孩子——的最好礼物是“一种坚不可摧的惊奇感，它将持续一生，作为对抗无聊和失望的万无一失的解药……对人造事物的毫无意义的关注，对我们力量源泉的疏远。”
Nikki McClure 的艺术作品《Something About the Sky》 ——Rachel Carson 对云彩奇观的小夜曲
以鸟类的奇迹为例——这首关于羽毛和物理学、气压魔法和空心骨头的活生生的诗，在其深刻的另一种大脑进化中发明了梦想。如此微小的生物居然能够抵抗整个行星的引力，这似乎是不可能的，也是奇迹。然而，在这种蔑视之下，却是对使整个宇宙奇迹成为可能的不变法则的积极投降。
在《物质的奇迹：理解自然的奇迹》 （公共图书馆）收录的三打引人入胜的文章中，诗意的物理学家和小说家艾伦·莱特曼阐明了鸟类飞行的合法奇迹，从进化到空气动力学，从分子到数学，从鸟如何产生足够强大的向上力来抵抗重力对其重量的拉力的基本奇迹开始：
[力]是由净向上的气压产生的，而净向上的气压又是由鸟的向前运动和翅膀的形状产生的。鸟类翅膀的顶部是弯曲的，而底部则相当平坦。这种形状上的差异，加上机翼的角度和一些较小的调整，导致空气在机翼顶部的流动速度高于底部。与机翼下方的气压相比，顶部较高的速度降低了机翼上方的气压。由于从下方向上推的压力大于从上方向下推的压力，机翼获得向上的升力。
法国艺术家Paul Sougy的鸟类解剖图。 （ 以印刷版形式提供，使大自然保护协会受益。）
机翼上方较高的空气速度会产生较低的压力，这似乎违反直觉，但我们的生物直觉往往不能很好地反映现实——我们花了很长时间才意识到我们脚下的平坦表面是一个球体，这个球体不在宇宙的中心，有一种看不见的力作用在物体上，但不接触它们，使宇宙凝聚在一起——一个无聊的二十多岁的人坐在他母亲的苹果园里，将这种力称为重力。
艾伦解释了化学和物理的现实，当空气分子撞击翅膀的下侧将鸟举起时，使得飞行成为可能：
空气由小分子组成，它们会推动它们所撞击的物体，从而产生压力。空气分子不断地向各个方向呼啸。如果不添加能量，根据能量守恒定律，分子的总速度必须恒定。但该速度由两部分组成：平行于机翼的水平速度和垂直于机翼的垂直速度。增加机翼上方空气分子的水平速度，这些分子的垂直速度必须降低。从上方撞击机翼的分子速度较低意味着压力较小或推力较小。机翼底部的分子在水平方向移动较慢，但在垂直方向移动较快（向上压力更大），将机翼向上抬起。
机翼面积越大，升力越大，通过机翼的空气速度越快。这里有一个方便的权衡。如果动物增加其前进速度，则可以用较小的翅膀面积获得平衡鸟类重量所需的升力，反之亦然。鸟类根据其个人需求利用此选项。例如，大蓝鹭的腿又长又细，适合涉水，必须缓慢飞行，以免着陆时摔断。因此，苍鹭的翼展相对较大。另一方面，雉鸡在灌木丛中活动，会发现大翅膀很麻烦。为了用相对短而粗的翅膀保持在空中，雉鸡必须飞得快。
鸟类年鉴的艺术：不确定日子的占卜。 （以印刷品和文具卡的形式提供，使奥杜邦协会受益。）
然而，表面和速度之间的阶乘对话是有限制的。艾伦思考为什么没有大象那么大的鸟：
当你放大一只鸟或任何物质的大小时，除非你彻底改变它的形状，否则它的重量增加得比它的面积增加得快。重量与体积或长度乘以长度乘以长度成正比，而面积与长度乘以长度成正比。长度增加一倍，重量增加八倍，而面积仅增加四倍。例如，如果有一个边长为 1 英寸的正方体，则其体积为 1 立方英寸，而其总面积为 6（边长）× 1 平方英寸，即 6 平方英寸。如果将立方体的边长加倍到 2 英寸，其体积将增加到 8 立方英寸，即 800%（重量也有类似的增加），而其面积将增加到 24 平方英寸，即 400%。由于升力与翅膀面积成正比，而相反的重力与鸟的体积成正比，因此当您继续按比例放大时，最终会达到鸟的翅膀面积不足以使其保持在空中的程度。尽管鸟类尝试飞行已有 1 亿年之久，但最重的真正飞鸟——大鸨，很少超过 42 磅。较大的滑翔鸟类，如秃鹰，被上升的热气柱举起，不能承受全部重量。
但所有这些复杂的向上运动的分子和数学空气动力学还不足以使飞行成为可能——鸟类还必须在没有螺旋桨的情况下推动自己前进。长期以来，他们如何做到这一点一直是个谜。 （对于徘徊在科学与魔法之间的蜂鸟的奇异飞行来说，这个谜团更加深刻。）现代航空的诞生最终为我们揭示了这一点。十九世纪初，通过观察鸟类如何滑翔，先驱工程师兼航空调查员乔治·凯利 (George Cayley) 成为第一个辨别飞行力学的人，识别出作用于任何飞行物体重量的三种力：升力、阻力和推力。
天鹅天空 (Swan Sky)的手岛敬三郎 (Keizaburō Tejima) 作画
艾伦详细介绍了使鸟类前进的阻力和推力的物理原理：
事实上，鸟类确实有螺旋桨，其形式是翅膀外半部分专门设计的羽毛。这些羽毛被称为初级羽毛，在翅膀拍打过程中会改变形状和位置。向前的推力是通过每个襟翼向后推动空气来获得的。以类似的方式，我们可以通过用力向后移动手臂抵住水面来在游泳池中向前移动。
所有这些都有助于解释为什么较大的鸟类经常以 V 形飞行——每只鸟都受益于前面的鸟产生的上升气穴，与单独飞行相比，可以节省飞行所需热量的 20% 到 30%。因为领头的鸟承担了大部分空气动力学和热量的冲击，并保护其余的鸟不受风的影响，所以鸟群轮流站在最前面的位置。
这也是任何健康社区、任何健康关系的物理原理——脆弱性和信任的物理原理。因为生活总是在不同的时间对每个人施加不同的压力，无论是内在的还是外在的，共同繁荣并不是总是承担同等的责任，而是包容彼此脆弱性的潮起潮落，彼此信任对方会在困难的时候保护自己。耗尽，然后在补充时进行屏蔽。爱的衡量标准之一可能是愿意成为领头鸟，在亲爱的人挣扎时保护他们，用你顽强的存在让他们振翅高飞。
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将《物质中的奇迹》的这一片段——其余部分探讨了萤火虫、日食、蜂鸟和土星环等奇迹背后的科学——与作为一种观察方式和一种存在状态的游隼结合在一起，它是一种迷人的差异性喜欢成为一只猫头鹰，以及鸟儿梦想的科学。
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原文： https://www.themarginalian.org/2024/11/22/how-birds-fly/