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02.鸟类飞行机理

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2024-09-27 21:15

飞行生物既需要在复杂环境中躲避天敌，又需要捕猎捕食，能够飞行的生物基本上都采用了扑翼飞行的飞行方式。我们制造的众多飞行器的灵感源于鸟类的生理结构，经过数亿年的进化，鸟类拥有独特的身体结构，优美的身体外形，以及独有的扑动形式。轻巧的身体和疏松的羽毛使得鸟类的外形呈现纺锤形，这大大减少了空气阻力。受到鸟类的翅膀启发，人们探究升力产生的原因并且制造了飞机机翼。

鸟类翅膀与飞机机翼

对于任何飞行类的生物而言，翅膀是极其重要的身体器官，下图表示了鸟类羽毛的分布情况其中浆形羽所占据的面积最大，对飞行的影响也最大。浆形羽又包括了次级飞羽和初级飞羽，初级飞羽的主要作用是产生升力，分布在翅膀外侧，次级飞羽主要产生推力，分布于翅膀的内侧。此外还有边覆羽、小覆羽、中覆羽、大覆羽、大覆羽能够保持翅膀的流线外形，减少阻力。

鸟类羽毛的分布情况

鸟类在扇动翅膀的中，主要分为了上扑和下扑两个阶段。在上扑阶段：翅膀收缩，缩小翼面积，浆形羽之间形成缺口、加速空气流通，减少上升阻力。下扑阶段：翅膀展开、扩大翼面积，浆形羽间锁合，阻滞空气流通，增加下扑升力。

上扑和下扑两个阶段羽毛变化示意图

鸟类的骨骼内部充满了蜂窝状的空腔，这使得鸟类骨骼的密度大幅下降。人类骨骼占体重的近20%，而鸟类却占不到自身重量的5%。

鸟类骨骼示意图

为了进一步减轻身体重量，鸟类进化出了大量的膜制气囊，部分气囊和鸟的肺部连接，可以起到存储空气减少身体比重的作用。当处于上扑阶段，胸部肌肉扩张，空气经过肺部到达气囊，存储空气；翅膀下扑，肌肉压缩，空气被排出。除此之外气囊还有散发飞行时的大量热量，减少肌肉和内脏之间的摩擦等作用。气囊本身无法进行气体交换，只起到辅助呼吸的作用。

鸟类气囊示意图

额外增加一点流体知识：

当扑翼在上下扑动阶段过渡时，每次都会在后缘处产生一个启动涡随气流向后运动，最后在机翼后产生一系列尾涡，称为涡街。

卡门涡街效应解释了涡街中尾涡的位置和方向决定了机翼产生的是阻力还是推力。在下图上半部分中，上排涡顺时针旋转，下排涡逆时针旋转，尾涡中各处的诱导速度与来流方向相反，受到尾涡诱导作用，尾流在来流方向上有与来流方向相反的流动,因此机翼会受到与来流方向相同的作用力，也就是阻力；图下半部分中，上排涡逆时针旋转，下排涡顺时针旋转，尾涡中各处的诱导速度与来流相同，因此机翼会受到与来流方向相反的作用力，也就是推力。