扑翼飞行原理探索

龙源期刊网扑翼飞行原理探索作者：苗沐霖来源：《科教导刊·电子版》2016年第31期摘要扑翼飞行起飞时的高升力和推动力主要来自于翅膀推动空气的反作用力。鸟类、昆虫类翅膀的结构和运动方式可以产生有效的高升力和推动力，对扑翼飞行原理的研究有助于对微型飞行器的设计和开发。关键词扑翼飞行高升力推动力0引言动物的飞行是借助于翅膀来完成的，鸟类的翅膀具有特殊的形状，截面如图1所示，它的上表面略微凸起，当鸟在空中飞行的时候，具有一定的水平速度，翅膀上表面的空气流速大于下表面的空气流速，根据伯努利原理，上表面受到的空气压力小于下表面的空气压力，上下表面的气压差产生了高升力，鸟可借助于这个力在空中滑翔。人们对鸟类翅膀的研究创立了空气动力学，发明了飞机，推动了人类航空事业的发展。但鸟类的飞行与飞机不同，飞机属于固定翼飞行，飞行时它的机翼是固定不动的，起飞时，首先要具有足够高的水平速度，才能产生出足够大的升力。而动物的飞行只需原地拍动翅膀即可起飞，不需要水平速度，甚至能垂直起落，属于扑翼飞行。显然，扑翼飞行原理上是不同于固定翼飞行的。自然界所有飞行生物无一例外地都采用了扑翼飞行方式，包括：鸟类、昆虫类和蝙蝠类.对于扑翼飞行，目前还没有一套完整的空气动力学理论，扑翼飞行器的研究也发展缓慢。那么，动物的翅膀究竟是如何工作的呢？研究表明，动物翅膀的运动十分复杂，并不是我们想象的那样，只是做简单的上下扑动。动物翅膀的工作原理也远比飞机机翼复杂得多，其机理还尚未被人类完全认识和掌握，很多细节性的问题还有待于深入研究。笔者也就此进行了观察和思考，并结合有关的物理学、生物学知识，对其飞行原理进行了初步探索。1鸟类的飞行任何在空气中飞行的物体，克服重力的途径有三种：（1）空气的浮力（如气球）；（2）伯努利升力（如固定翼飞机）；龙源期刊网（3）推动空气的反作用力（如直升飞机）。扑翼飞行起飞时主要依靠的是第三种力（某些需要助跑起飞的大型鸟类除外）。康奈尔大学物理学家简·王说，我们也许不该把昆虫看成小型飞机，而应该把它们看作空气中的游泳者。就像人游泳时通过将水推开来前进一样，翅膀拍动时，将的空气推开，便得到一个空气的反作用力，即空气的阻力，这个阻力就是起飞的动力。这个观点同样适用于鸟类的飞行。我们难免会提出这样的疑问：鸟类飞行时，翅膀大多是上下扑动的。当翅膀下拍时，受到空气的反作用力向上，而翅膀向上拍时，受到空气的反作用力变为向下，两者相互抵消，鸟怎么能飞起来呢？这种考虑，无疑是把鸟的翅膀看做了两块可以反复垂直扇动的刚性刮板。研究表明，这种刮板结构的扑翼飞行效率低下，即使拍动时，下拍所用的力大于上拍所用的力，也根本承载不了自身的体重，故这种刮板飞行机制并无实际效仿价值。那么，鸟类飞行时，向上的高升力和向前的推动力是从何而来的呢？1.1高升力的产生空气阻力包括摩擦阻力和压差阻力。摩擦阻力是指物体运动方向的切向受到空气分子的摩擦而产生的阻力，是由于流体的粘滞性造成的，其大小跟物体运动速度有关。低速运动的物体摩擦阻力表现得不明显，高速运动的物体摩擦阻力很大，当速度达到2马赫（600m/s）以上就会出现气动加热现象。压差阻力是由于物体运动时，其一个表面会推动空气一起运动，迫使空气产生一定程度的压缩，气压增大，而另一表面的空气则产生一定程度的拉伸，气压减小，相对两个表面的气压差而产生的阻力。压差阻力的大小跟运动物体的速度和迎风面积有关。翅膀拍动时，速度并不高，阻力主要是压差阻力，大小跟翅膀的有效面积成正比.在高速摄影机的帮助下人们发现，鸟类翅膀在下拍过程中，翅膀和羽毛都充分展开，翅膀面积最大，空气对翅膀的阻力也最大。翅膀用力向下拍动，就可以获得向上较大的反作用力。翅膀下拍过程所用的时间较长，在上拍过程中，翅膀会有一定程度的折叠和收拢，使面积减小，主羽毛也会散开，空气可以穿过主羽毛间的间隙，阻力大大减小，翅膀迅速抬起.设，翅膀下拍时，所用时间为t1，受到空气的平均阻力（即空气的反作用力），大小为F1，方向垂直于翅面向上。上拍时，所用时间为t2，受到空气向下的平均阻力大小为F2.鸟儿的体重为G。翅膀持续扑动，鸟儿就能够获得持续向上的升力。所以，鸟类起飞时高升力的获取跟翅膀的主动形变有很大关系。随着非定常流理论的完善，人们逐渐认识到非定常效应对扑翼飞行升力的产生起着重要作用。翅膀下拍过程中，会在翅面上方边缘处产生涡流，称为前缘涡。前缘涡在翅面上方会产生一个低压区，使翅膀下拍时空气阻力进一步增大（中已包含），从而有利于产生更大的升力。龙源期刊网推动力的产生翅膀拍动时，两个翅面气压不同，空气就会从气压高的一面流向气压低的一面，这就是绕流现象，绕流现象以风的形式表现出来，从翅面边缘发出，而不是从翅膀表面垂直发出的。扇扇子时我们会在扇子的边缘感觉到风，而在扇面的正上方和正下方没有风，道理是一样的。所以，翅膀的拍动、扇子的扇动能够生成风的根本原因是制造了气压差。鸟类向前飞行的推动力就来自于翅膀向后鼓动空气扇风而产生的反冲力。按照绕流理论，鸟类的翅膀拍动时，风应该从翅膀四周均匀发出，冲量相互抵消，是不会产生向前的推动力的。这个观点其实又把鸟的翅膀刮板化了。鸟的翅膀结构如图2所示。前面是主要是骨骼和肌肉，后面长着较长的羽毛.翅膀拍动时，肌肉用力，带动后面的羽毛一起运动。由于羽毛是柔性的，具有柔性形变的特性。翅膀下拍时，由于空气阻力作用，主羽和次羽会被动向上弯曲上翘；上拍时，会向下弯曲。再加上羽毛纹理的引导作用，会致使更多的空气从翅膀后方流出。这样，每拍动一下翅膀，就会向后鼓动了一部分空气，便获得了一个向前的冲量。其实，这种向后鼓动空气产生的推动力更加有效.事实证明，单靠翅膀的上下扑动产生的高升力是不足以支撑鸟类的体重持续高升的。比如，我们很少看到鸟类能垂直升空或悬停，即使有些鸟能做到，其翅膀也不是上下扑动，而是水平扑动的，身体几乎竖直起来，例如蜂鸟。在飞升时，这个推动力也可以充当一部分高升力。鸟类向上飞升时，身体一般是倾斜向上，如图3所示。翅膀向身后鼓动空气，身体就获得一个指向斜上方的推动力，与式（2）的合力共同维持身体的飞升。实际上鸟类的翅膀是十分灵活，不但能够上下扑动，还可以绕翅轴转过一个角度，以一定的迎角扑动，甚至羽毛也能够单独受肌肉的控制。不同场合，不同需求时，鸟类会选择不同的扑动方式飞行。需要减速时，翅膀会略微转向前下方扑动以制动；需要加速或升高时，翅膀会略微转向后下方扑动以增加推动力；悬停时，翅膀基本上变成水平前后扑动了。鸟类实际飞行时翅膀的运动方式并不是单一的，往往是几种运动方式的综合.鸟儿一旦升空，并具有了一定的水平速度，伯努利升力随之出现，鸟儿的飞行便轻松了很多。这时许多翅膀面积较大的鸟类就不用再努力振翅了，而是充分展开，采用滑翔的方式，只在加速或上升时才拍动翅膀，如：海鸥、老鹰等能长时间飞行的鸟类。而一些小型的鸟类，由于翅膀较小，伯努利升力不太明显，要想维持飞行，翅膀仍需不停地拍动，属纯动力飞行.纯动力飞行比较耗费体力，如麻雀，只能做短时间飞行。2昆虫的飞行龙源期刊网地球上昆虫的种类远远超过鸟类。昆虫的翅膀又称为翅翼，与鸟类不同，大多是韧性膜状翼，薄而轻，飞行时伯努利原理不再适用。所以，昆虫无论是起飞还是飞行过程中依靠的都是翅翼推动空气的反作用力。为适应不同的飞行需要，昆虫翅翼的运动方式比鸟类的翅膀更加灵活多变。昆虫飞行的特点如下：（1）昆虫的翅翼可以有较大幅度的扭转运动。昆虫能利用翅根处的肌肉主动扭转翅翼，还可以利用惯性力和气动力帮助扭转，因而在整个扑动过程中其迎角在不断地变化。扑动方向改变时，翅面迎角也随之改变，保证了向同一个方向推动空气，大大增强了飞行效率。（2）翅翼的柔韧性大，扑动过程中可产生更大的被动柔性形变，可以保证向后推动更多的空气，以产生更大的推动力。（3）昆虫的翅翼能改变迎风面积。有些昆虫可以通过前翅和后翅的相互叠合程度来改变迎风面积大小，这样可以在上拍时减小负升力，这与鸟类翅膀上拍时的收拢作用类似。（4）大多数昆虫翅翼拍动频率很高，可以进一步增强高升力和推动力。3结语飞行生物种类繁多，飞行姿态多种多样，其最终目的都是为了更加有效地推动空气，更加有效地产生高升力和推动力，飞行器体积越小，其飞行的雷诺数就越低。若仍然采用固定翼或旋翼式飞行，机翼不能产生足够的升力，此时，采用扑翼式飞行，可大大提高飞行器的升力系数。并且，扑翼飞行噪声小，可实现垂直升降及悬停，更适合于在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用。对扑翼飞行原理的研究，有助于发展低雷诺数下的空气动力学理论，有助于人类对微型飞行器的开发。参考文献[1]蜂鸟飞行视频http：//baidu.ku6.com/watch/2833826032138377660.html？page=videoMultiNeed[2]蜻蜓飞行视频http：//[3]刘岚.微型扑翼飞行器的仿生翼设计技术研究[D].西北工业大学博士学位论文，2007：22-24.[4]郭卫刚.微型扑翼飞行器的现状及关键技术[J].飞航导弹，2007（12）：19-20.龙源期刊网