蜂鸟

一年夏天，有两三只蜂鸟绕着我家南边阳台上的喂食器飞来飞去。我静静地从后窗看着，生怕把它们吓跑了。这些小鸟看起来就像在藐视引力。它们悬停于空中，漂浮着。它们是“空气里的空气”，巴勃罗·聂鲁达（Pa blo Neruda）如此说道。它们有着绚蓝的脑袋、宝石红的咽颈、淡绿和藏红花色相间的多彩身躯以及橙色的尾巴，它们是画家的点染，是世界这块画布上飞溅的色彩。你看不出它们翅膀的颜色，因为它们每秒来回拍打50次。为了给这种代谢率几乎冠绝所有动物的“引擎”供氧，蜂鸟的心率要达到惊人的1300次/分。单位体重的耗氧量是人类顶尖运动员的10倍。

实际上，你可以通过基础物理学和生物学计算出蜂鸟身体的很多设计上的规格。蜂鸟可以悬停于半空，从美味的花朵中吸蜜，并以此为生。它必须以多快的速度拍动翅膀才能完成这种杂技般的壮举呢？慢动作视频显示，它们的翅膀是以旋转的方式运动，每一圈都会改变姿势和角度。如果你想让这只小鸟所产生的气动升力支撑其体重，那么其翼尖就必须以大约1500厘米/秒的速度移动。正如我们观察到的那样，这相当于50次/秒左右的拍打速度。

你还可以算出它所需的心率。人类能以大约4次/秒的速度拍打“翅膀”，也就是手臂。（我在麻省理工学院的学生面前亲自证实了这个结论，他们看傻了。）一个正在锻炼的人的心率约为125次/分，而一只每秒要拍打50次翅膀的蜂鸟所需的心率则应是人的12.5倍（50÷4），即1600次/分（125×12.5）左右。 ^[1] 这和我们观察到的次数非常接近。这都是科学问题，就像单摆的摆动一样，全都是物质。不过当我看着这些悬浮在空中的鸟儿时，我不会去想什么数字或引力，我只是看着，并对此叹服不已。

[1] 气动升力的压力大致为ρv ² ，其中ρ是空气密度，v是翅膀上方的空气流速（与翅膀的拍动速度成正比）。该压力的确切大小取决于翅膀的形状。这个压力乘以翅膀的面积就是向上的升力，这一升力必须抵消蜂鸟的重量（几克重）。假设翅膀在做圆周运动，升力和蜂鸟的重量相等，那就能求得所需的最小摆翅速度，从而得出摆翅频率。