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《生命世界》

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《生命世界》杂志由中国科学院主管,中国科学院植物研究所、中国植物学会和高等教育出版社联合主办,于2004年4月创刊。《生命世界》杂志依托中国科学院和高等教育出版社的雄厚资源,集中高等院校及科研院所的专家作者队伍,以认真严谨的编辑态度确保稿件的质量及科学性,并以生动准确的语言、精心的版式设计及精美的印刷品质确保阅读的舒适与愉快,希望为关注生命、热爱自然的读者构建一个精神家园。

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像鸟儿一样飞行

2009-12-24 19:52:03

  人类在制造飞机的过程中,一直在试图借鉴鸟的飞行技巧。最先被人类模仿的飞行方式是扑翼飞行,这可能是由于人类最初总是喜欢用最感性的方式去认识世界。但是,扑翼飞行是以鸟类特殊的生理结构为基础的。比如说,鸟类的胸肌非常发达,依靠胸肌的收缩、舒张,带动翅膀上下扇动,能产生足以支持并超过鸟类体重的动力。而人力乃至后来制造的机械在这方面根本就是望尘莫及。尽管无数人不断尝试,并且付出了巨大代价,但直到人类学会了在飞机制造中运用伯努力原理,千百年来人类的飞行梦想才得以实现。


  我们知道,鸟类之所以能够在空中自由飞翔,归根结底是因为鸟类的翅膀在相对气流的作用下能产生升力。

  鸟类翅膀具有良好的空气动力学特性和流线形态。翅膀前沿圆匀,后面尖尾,上部凸起,下部微凹。当鸟在空中滑翔时,空气在翅膀上、下部产生压强差,翼面上部流速变大,压强变小;翼面下部流速不变或变慢,压强不变或升高。于是,翅膀的上、下翼面便产生了一个压强差,导致产生一个向上的升力,把鸟的重量托住,使鸟不致于像石头一样往下掉。这就是伯努力原理在实际中的应用。

  尽管鸟的身体和翅膀具有优秀的流线型形状,但由于空气具有一定的粘性,不可避免地使相对运动的空气流在鸟的身体上产生一定的阻力,而这个阻力会使鸟的飞行速度愈来愈低,直至使气动力减少到不足使鸟停留在空中。

  为了保持飞行速度,产生一定的气动升力,鸟类在不同环境下用三种办法来克服空气阻力。

  第一种是用重力势能来变换成飞行的动能。鸟类在飘滑下降时,身体及飞行路线向下倾斜,用身体重量在前进方向的分力去克服前进的阻力。前面提到,鸟在空气中滑行时由于翅膀的特殊结构,会产生向上的升力,而这个生力与鸟本身受到的重力合成一个向前的拉力,用来克服阻力,使鸟类向前运动。鸟类在空中通过不停地调整飞行的倾斜角,来改变升力的大小和角度,进而调整拉力的大小,改变飞行的速度。

  第二种方法是利用大气中的上升气流。我们知道,由于太阳对地球及海洋的辐射,使地面及海面上的空气受热上升,同时也由于地球大气的季风作用,大气中无时无刻都有上升气流存在。善于利用上升气流的鸟类,可以借助这些上升气流产生上升力,以少掉高度,不掉高度,甚至是上升。

  第三种方法是采用积极主动的扑翼飞行。鸟类扑翼运动是一种生物体特有的高度复杂的、高效率的运动。


飞机机翼的设计大量借鉴了鸟类翅膀的构造

  在滑行过程中,鸟类的翅膀相当于飞机的机翼,但在扑动时,鸟类的翅膀相当于飞机的螺旋浆或喷气推进装置。鸟类在扑翼飞行时,靠近身体的部分翅膀扑动不大,和飞机机翼相似,始终产生一定的举力和阻力,但翅膀外半部就完全不同了。

  下扑时,翅膀除了向前运动外,还向下快速运动。也就是说,合气流来自下前方,所产生的动力是向前倾斜的,它的可以分解为一个向前的水平拉力,以及一个垂直向上并与鸟的体重相等的升力。而翅膀上举时,气流来自上前方,为减少阻力,像我们看到的那样,鸟类把翼尖放松、下垂。于是,翅膀上举时,整个翅膀弯曲成一楔形,所形成的负升力为最小。总结起来,鸟的扑翼动作可以分解为四个步骤:①弯曲慢速上提,②外伸向下扑打,③快速向下扇打空气,④扑打至最低处,向翅根处缩入。

  在长期的演化中,鸟的羽毛极适合于飞翔的需要。鸟类在扑动过程中不断改变自身羽毛的排列形式。同时,整个翅膀的形状和位置也在变化,往下扑动时,大羽毛彼此并紧使整个翅膀成为一张上下表面基本不通气的翼面。这样可以得到较大的上下表面压强差,上表面为负压,下表面为正压。而当翅膀向上抬起时,整个翅膀向内弯曲,大羽毛排列松开,上、下翼面之间出现了许多通气的缝,作用在翼面上的阻力就小多了。

  与鸟类依靠翅膀飞行一样,飞机的升力绝大部分是由机翼产生,而飞机机翼的结构与鸟的翅膀非常相似,简单来说就是机翼的上表面较下表面凸出。飞机在空中飞行时,空气流在机翼前缘分成上、下两股气流,分别沿机翼上、下表面流过。由于机翼上表面凸出,空气流过的路程较长,流速快,压力较小;而气流在机翼下表面受阻挡作用,流速减慢,压力较大。于是机翼上、下表面便形成了一个压力差,使飞机获得了一个升力。当这个升力大于飞机的重力时,飞机就能飞上蓝天了。

  可以看出,飞机的飞行原理与上面提到的鸟类在滑翔时利用翅膀上、下部产生压强差保持高度的原理是一致的。不过即使如此,飞机的飞行方式与鸟类比起来还是太显单一,这也使得飞机飞行所需的外部条件比鸟类更复杂,限制也更多。比如,飞机需要很长的跑道、不能在空中悬停、机动性和灵活性不足等等。所以,尽管人类的科技已十分发达,各种类型的飞机层出不穷,但仍然无法完全像鸟儿那样飞行。可以说在蓝天中,鸟类始终是人类羡慕的舞者。

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