人们从蝙蝠身上获得了哪些灵感?
这个时候,人们会想到一些动物身上的现象,这些现象人类早就知道了,却没有关注。比如蝙蝠的仲夏夜,万籁俱寂,却有一只夜蛾子在空中惊慌逃窜,拼命拍打着翅膀,盘旋着,突然翻了个底朝天。发生了什么事?
原来夜蛾科的天敌——蝙蝠也跟着来了!它拍打着灰黑色的翅膀,用力按着,张开贪婪的嘴...
以上惊心动魄、耐人寻味的生物大战,是生物物理学家经常观察到的现象。
蝙蝠很少在白天出来,而是在能见度极差的夜晚出来觅食。它如何在夜间灵活准确地捕捉食物?尤其是当人类发现蝙蝠的视力很差,而且在某种意义上是失明的时候,就更加难以想象蝙蝠是如何发现猎物并准确测量猎物的方向和距离的。于是,有人对蝙蝠进行了实验。他们去除了蝙蝠的嗅觉和微弱的视觉,在一个房间里绑了一些绳子,在绳子上挂了许多铃铛,然后让失去视觉和嗅觉的蝙蝠在房间里飞。令人惊讶的是,没有铃声响起,蝙蝠能够在房子里自由飞翔,没有碰到任何障碍物。
令人惊讶的是,蝙蝠的喉咙可以发出强烈的超声波。当超声波从物体上反弹回来时,蝙蝠的大耳朵和内耳是最好的“天线”和“接收器”。在接收到“回声”后,我们不仅可以识别物体的方位和距离,还可以识别物体的大小,甚至可以区分食物、敌人或不可逾越的障碍。
众所周知,潜艇在水下航行时有一套“声纳”系统。它利用“声纳”探测敌方战舰的方向和位置,从而发动攻击。蝙蝠振幅的“回声定位”系统与潜艇的“声纳”非常相似。“声纳”是英文缩写SONAR的音译,意为“声学导航和测距”。但蝙蝠的“声纳”是活的,比人造的“声纳”灵敏得多,这在仿生学上还是一个研究课题。
特别是蝙蝠天生的“声纳”,可以在1秒内捕捉和分辨250个“回声”(即目标),现代新高科技雷达捕捉和分辨目标(飞机)的能力也不过如此。
还要注意的是,蝙蝠天生的“声纳”抗干扰能力很强。即使人们试图制造比蝙蝠发出的超声波强一两百倍的干扰噪声,也不可能干扰蝙蝠对目标的有效跟踪和追击。这是现代人造声纳达不到的。而且蝙蝠天生的“声纳”最多只有几克重,它的小巧让重达数百公斤的“声纳”或更重的“雷达”的设计者们目瞪口呆。
因为蝙蝠有天然的声纳,在漆黑的夜晚一秒钟可以捕食十几只蚊子。正因如此,有人称蝙蝠为“活声纳”。有人称之为“活雷达”。
生物学家研究了这种奇怪的现象,发现蝙蝠在飞行时,会间歇性地发出人耳听不到的声音。这个声音的频率是25000-70000Hz,而人能听到的声音频率是1.6万-0.2万Hz。蝙蝠振幅平均每秒叫30次左右,接近目标时每秒叫60次左右,发出的声波碰到周围物体反射回来。蝙蝠的听觉非常灵敏,能准确接收反射的声波,判断反射声波的距离、方向和性质。这样,蝙蝠不仅能准确扑向猎物,还能躲避各种障碍物。...蝙蝠搜索、探测和定位远处目标的能力给了人们深刻的启示。显然,只要找到一种快速反射的物质,并制作出可以发射和接收这种物质的设备,就可以实现超视距的观看和超视距的收听。发现光波和声波都有这种性质,只是因为要达到的探测距离远,声波速度太慢,不仅误差大,而且响应慢。飞机的飞行速度可以超过两倍音速,说明声波还没有反射回来,飞机已经到了。虽然光波的速度很快,超过音速80万倍,但是光波受气象条件影响很大,遇到云就会停下来,两者都不能满足需要。
后来人们发现,无线电波是最理想的物质,它具有光波的速度,能穿透云和雾,能被目标反射。无线电波在空气中的速度和光速一样,不受气候影响。它具有穿云破雾的能力,可以在恶劣的天气条件下或夜间工作。只要研制出一种可以发射和接收无线电波的装置,就可以实现超视距观看和超视距收听。
这种通过发射和接收无线电波来完成搜索和探测任务的设备的英文名是RADAR,原全称是“radio direction finding and ranging”,翻译成中文就是雷达。
1864年,英国物理学家麦克斯韦提出了光和无线电波都是电磁波的理论,得出了无线电波的传播速度与光的传播速度相同的结论。
1888年,德国物理学家赫兹利用电极的火花振荡放电获得了无线电波,证明了麦克斯韦的理论,但赫兹认为无线电波不能用于通讯等方面。
1895年,俄罗斯的波波夫发明了一种可以接收无线电波的仪器,并发现了舰船对无线电波的反射,这表明可以利用无线电波寻找人眼看不见的目标。
1904,德国发明家克里斯蒂安?Hueers Mayer在实验室对原始雷达进行了实验,并获得了雷达设计专利,但这种原始雷达的探测距离达不到声波定位仪的距离。
这样,虽然在第一次世界大战结束前,雷达未能取得实际应用的成果,但人类对雷达的需求和科技的进步,已经让人类离做出真正的雷达只有一步之遥。
日本人的态度是各国早期发展雷达最让人难忘的。日本发展雷达的技术基础比较薄弱,甚至可以说对雷达毫无了解。但是日本也有机会制造雷达技术,但是由于日本人的无知,没有抓住这个机会。
1930年,制造雷达的技术虽然有了重大突破,但仍处于从实验到实用的过渡期。这时,一位名叫斯皮奇的美国电子科学家想以30万美元的价格将他发明并试验成功的雷达样机——“电磁波探测仪”卖给日本海军。这个设备虽然庞大,性能也不完善,但是包含了制作雷达的基本技术。如果日本人得到这种仪器,他们可以很快开发出实用的军用雷达。
当时日本人对雷达了解不多,尤其是雷达的军事意义。让日军难以接收的是,雷达用极坐标而不是X、Y双轴坐标来确定方位。他们很难相信这个笨重的家伙可以用从一点发射的电磁波找到远距离目标,同时测量目标的方向和距离。但他们最终出价65438+万美元购买了这台仪器,不清楚它是否真的有用。但是斯皮兹拒绝接受这个价格。当日本人与斯皮茨讨价还价时,美国军方对斯皮茨的发明产生了兴趣,并预见到了这种仪器的军事价值以及如果被日本人购买会造成的损失。美军不仅按照施皮茨的要价购买了笨重的设备,还禁止施皮茨与日本人接触,这使得日本人制造雷达至少晚了10年。直到太平洋战争爆发,美国人已经在军舰上装备了大量的雷达来寻找和跟踪日本军舰,日本海军还不知道什么是雷达。