鸟的翅膀比飞机强在哪？ ——从滑翔到扑翼的非定常飞行 文\韩叙之 我们知道，虽然现代飞机的速度非常快，但实际上，它的结构是借鉴了鸟类的翅膀。我们还知道，飞机是怎么依靠机翼完成飞行的，但是，鸟类的飞行与飞机有什么不同呢？鸟类翅膀本身的优越性又在什么地方？ 在之前的文章中，我们讲到，飞机的机翼是固定在机身上的。飞机必须向前运动，让空气相对机翼向后流动，机翼才能通过环量、库塔条件和粘性边界层建立起稳定的流场，进而产生升力。也就是说，飞机的机翼更像一块刚性的、被动的板子，它不能自己拍打，也不能随时改变形状。但鸟类不一样。鸟的翅膀可以上下扑动，可以折叠、扭转，甚至每一根羽毛都能在气流中微调。所以很自然地，我们不能简单地把鸟的翅膀看成固定翼飞机的机翼。 鸟的飞行阶段大致可分为两部分。当鸟在空中滑翔时，它和飞机非常像。鸟展开翅膀，空气相对翅膀向后流动，这时，鸟的翅膀周围同样存在环量，这导致上下空气流速不同，进而导致升力不同。鸟的尾羽则相当于飞机的水平尾翼和垂直尾翼，帮助它保持俯仰和偏航稳定。所以，在滑翔状态下，鸟和飞机的底层物理几乎是一样的。 但是，当鸟开始拍打翅膀时，问题就变得复杂了。飞机巡航时，机翼相对空气的运动基本是定常的，也就是流场不随时间剧烈变化。而鸟拍翅膀时，翅膀的速度、攻角、形状都在快速变化，流场是非定常的。非定常意味着流场随时间变化，不能只用定常伯努利和固定环量来解释。因此，鸟类需要额外的升力机制。 首先，鸟拍翅时，翅膀前缘会卷起一个涡，我们叫它前缘涡。涡内的空气速度大、压力低，可以增加升力。飞机在大迎角（也就是前缘比后缘高很多）时也会产生前缘涡，但通常要避免，因为前缘涡一旦破裂，就会伴随边界层分离和失速。鸟类却可以主动利用前缘涡，在拍翅的瞬间获得额外升力。 其次，鸟的翅膀不只是上下平移，它还会绕自身轴旋转。翅膀的旋转会推动离旋转中心不同半径的空气跟着一起旋转，进而会改变绕翼环量，产生额外的力，这叫旋转环量，它类似于飞机改变攻角，但变化更快、更局部。此外，翅膀加速空气时，空气也会给翅膀反作用力，即使没有环量，加速空气本身也会产生力，这叫附加质量力。 第三，鸟翅膀的优越性，体现在主动变形上。鸟可以改变翅膀的后掠角、扭转角、弯度和面积。比如，鸟在低速飞行时展开翅膀，增加面积和弯度；高速飞行时收拢翅膀，减小阻力。而飞机虽然也有可变后掠翼和襟翼，但结构复杂、重量大，没有鸟的翅膀灵活。 另外，鸟的推进方式和飞机也不同。飞机把升力和推力分开：机翼产生升力，发动机产生推力。鸟拍翅时，下拍既产生升力，又产生推力。空气被向下向后推，空气给鸟向上向前的反作用力。上拍时，翅膀收拢、扭转，减小阻力。这种方式能让鸟垂直起降、悬停和快速机动，而普通飞机做不到。所以，从某种意义上而言，鸟类扇动翅膀其实就是它们飞行的发动机，它能让鸟类继续向前飞，来保证一直有来流经过翅膀。 综上所述，鸟类飞行时扇动翅膀的过程不仅仅产生了涡流，增加了环量，让整体升力更大，还提供了一个反作用力来让鸟类继续向前飞行。飞机把升力和推力分成两个独立的系统，而鸟类用一对翅膀同时做到了这两件事——这或许就是亿万年进化留给我们的最精妙的飞行器。 我要反馈 --> VIP课程推荐 加载中... APP专享直播 上一页下一页 1/10 热门推荐 收起 新浪财经公众号 24小时滚动播报最新的财经资讯和视频，更多粉丝福利