雞,鴨和鵝都是常見的家禽,經過人類上千年的馴化,它們的身體變得笨重無比,翅膀也退化了,但仍然保留了一定的飛行能力。
它們可以飛到幾米高的屋頂,還具有一定的滑翔能力,但其飛行能力和一般的鳥類還是有很大差距。
假設有這樣一個科學實驗,把雞,鴨還有鵝都帶上1萬米的高空中,讓它們自由落下,它們是否可以安全著陸呢?
雞鴨和鵝從1萬米的高空落下,其能否存活,要考慮多方面的因素,因為對雞鴨鵝造成生命威脅的不止有重力。
假設有一架飛機,飛上了萬米高空后,將準備好的雞鴨鵝拋下。那麼雞鴨鵝在被拋下后幾秒鐘就可能死亡,原因便是劇烈的氣壓變化。
飛機艙內有專門的增壓設備,飛機從地面升到萬米高空,其艙內的壓力并不會有太大的變化,雞鴨鵝都可以適應。
一旦打開艙門,雞鴨鵝面臨的氣壓就會驟然降低,任何生物都無法適應如此大的氣壓變化,這會導致生物出現「急速減壓癥」。
簡單來講,就是生物在高氣壓環境下,血液中會溶解一定的氣體。當從高壓環境快速過渡到低壓環境時,血液內的氣體就會剝離,形成氣泡,生物機體又無法快速排出這些氣體,最終導致身體出現各種不適癥狀,嚴重情況下會器官衰竭,危及生命。
因此,如果用飛機來進行這一實驗,雞鴨鵝一「下」飛機,就會因為氣壓變化而昏死過去,最終無一存活。
既然飛機不可行,那就換一種方式,使用緩慢升空的氦氣球來進行實驗。氦氣球可以飛行1.5萬米左右,它攜帶雞鴨鵝緩慢升空,會給雞鴨鵝適應壓力變化的時間,這樣它們就不會出現減壓癥了。
氦氣球攜帶者雞鴨鵝緩緩上升,壓力變化可以適應了,但新的問題又出現了,那就是缺氧。高海拔地區氧氣含量稀薄,平時生活在平原的人貿然爬高山,很可能會出現強烈的高原反應。
每升高100米,氧氣濃度就會降低0.16%,海拔越高,空氣中的氧氣含量就會越少。1萬米的高空中,氧氣濃度與地面相比就降低了16%。
海拔4000米青藏高原上,普通的雞和鴨都不能存活,只有鵝能適應環境。但若是升上1萬米的高空,鵝是否能適應依然還是未知。很可能雞鴨鵝在升空的過程中,就因為缺氧而全部陣亡了。
既然雞鴨鵝可能會因缺氧而死,那就給它們都帶上專業的氧氣設備,解決供氧問題。但接著又出現了新的問題---低溫。
海拔每升高100米,氣溫就會降低0.6℃。如果地面為35度,那麼在1萬米的高空中,氣溫就只有-25℃。
這樣的氣溫下,雞鴨鵝都會面臨嚴峻的考驗。其中雞是最不耐寒的,抗寒能力很差。它們屬于陸禽,祖先生活在亞熱帶和熱帶地區,表皮的絨毛含量很少,無法聚成絨朵,蓬松性差,無法鎖住空氣,沒有良好的保暖性。
鴨和鵝屬于水禽,祖先在熱帶和溫度都有分布,它們身上長著厚厚的羽絨,皮下還有脂肪,抗寒能力很強。
如果是萬米高空中,不耐寒的雞會無法適應低溫,而鴨和鵝可以憑借身上的羽絨和脂肪存活。
我們假設再去除低溫的影響,設想一個理想狀態來計算雞鴨鵝墜落的速度,來看它們能否存活下來。
自由落體的公式為v²=2gh,g為重力加速度,為了計算簡便,這里取10m/ s²,h為高度10000米。不考慮空氣阻力的情況下,帶入計算可得速度v≈447m/s。這樣速度堪比一輛區間車,不管雞鴨還是鵝,都只會摔成肉渣,不可能存活。
如果考慮上空氣阻力的影響,情況可能就大有不同。流體動力學中,計算沉降速度的公式為= ,其中是落下的速度,m代表物體的質量,g為重力加速度,ρ為空氣密度,S為物體的投影面積,為空阻系數。
普通的雞鴨和鵝的重量在3—5公斤之間,我們可以取m=4kg,重力加速度g取10m/ s²,空氣密度取一般值1.2kg/ m³。鴨和鵝張開翅膀可以看成一個近似平面的形狀,空阻系數可以取1。
接下來需要計算雞鴨鵝的投影面積S,當它們縮回翅膀時,形狀可以看成一個球體,所以其截面積可以用R²來計算。
其中半徑R可以根據球形體積公式m= R²,推出R=,雞鴨鵝都屬于生物,密度和水類似,密度取ρ=1000kg/m³,帶入數值可得R≈0.098m,再用圓的面積公式R²可計算出面積S≈0.03㎡,假設雞鴨鵝展翅后,投影面積擴大10倍,可取S為0.3㎡。
將所有數值代入,最終可得≈10.53m/s,也就說,如果雞鴨鵝在空中不撲騰翅膀,用展翅的姿勢落下,最終的速度大約為10.53m/s,這相當于人從5米的高度跳下,雖然可能受傷,但不足以致命。
將雞鴨鵝從1萬米的高空扔下,如果不考慮氣壓變化,缺氧和溫度等因素,只考慮重力和空氣阻力,最終雞鴨鵝下落的速度大約近似于10m/s,這樣的下落速度并不足以讓雞鴨鵝喪命。
最終的計算是建立在特定的理想狀態下,實際情況下還有很多需要考慮的因素。如果是真實的情況,雞鴨鵝很可能在空中就會上演各種死法,最終變成肉球墜落到地面。
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