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動物飛行 是指在動物世界中有許多種類的動物具有飛行能力,其中以鳥類為最。飛機的發明在許多方面受到鳥的啟示。

1 動物飛行 -動物飛行

 

2 動物飛行 -正文

  在動物世界中有許多種類的動物具有飛行能力,其中以鳥類為最。飛機的發明在許多方面受到鳥的啟示。
  飛行動物類群  在動物進化發展的過程中,昆蟲是最先獲得飛行能力的。在脊椎動物方面,中生代的翼龍是著名的能飛行的爬行動物,但已於6800萬年前絕滅。飛蜥、鼯鼠等都具有不同程度的滑翔能力。鳥類和哺乳動物中的蝙蝠是獲得完善飛行能力的高等脊椎動物類群。
  動物軀體的結構在適應飛行的過程中發生過顯著的變化。就飛行動物的主要飛行器官──翼的結構來說,也表現出從簡單到複雜,從低等到高等這一發展歷程。一些作短距離滑翔的動物還沒有形成真正的翼,僅是軀體的某些部分變形成為寬闊的膜狀物,藉以在空氣中支撐體重,進行滑翔。例如:飛魚的「翅膀」實為發達的胸鰭,借尾鰭劇烈擺動擊水而沖入空中,靠胸鰭的快速擺動可在18秒內貼水面滑行100~150米;飛蛙的前後趾間生有寬大的膜蹼,攀爬樹端跳躍時靠腳蹼滑翔數十米;飛蜥的體側皮膚擴張成翼膜並與四肢連接,可滑翔60~70米的距離。昆蟲、鳥類和蝙蝠是具有撲翼飛行能力的動物,在進化過程中以不同的途徑獲得了飛行器官,昆蟲的翅膀生於第2與第3胸節背方,由1或2對有彈性的翼膜構成,鳥與蝙蝠的翼則由前肢演變而來。蝙蝠前肢的指骨特別長,整個指骨、肱骨、後肢和尾骨間均覆有薄而柔韌的皮膚膜,借前肢運動揮動皮膜而實現飛行。
  鳥翼的構造和功能  鳥翼 (圖1)是適應飛行的主要器官,鳥翼的骨骼薄而輕,並有充氣現象。很多骨骼為適應飛行生活而併合和消失。這特別表現在前肢變形方面:手骨(腕骨、掌骨和指骨)簡化而併合,前肢僅能在一個平面上做折翅和張翅的關節運動,因而有利於在胸肌支配下形成一個有力的抗擊空氣的整體。翅上著生的毛羽是翼的重要組成部分,其中在手骨上著生的稱為初級飛羽,在前臂上著生的稱為次級飛羽。它們在扇翅時產生不同的力。前者產生推力,後者產生升力。此外,在鳥翼的翼角(腕部)生有一小簇羽毛,也對飛行的控制起重要作用。每一支飛羽都由羽軸和羽片構成。羽軸的基部深入皮膚內,羽片由羽軸兩側平行伸出的很多羽枝構成。每一羽枝兩側密生成排的羽小枝,上有鉤突,彼此鉤連,因而構成堅韌而富有彈性的羽片。飛羽的結構對鳥類飛行的適應還表現在每一羽的外羽片狹窄,內羽片寬闊,各羽從外向內逐次覆蓋。羽軸在氣流作用下還略有旋轉能力,因而當鳥類撲翼飛行時飛羽之間隨揚翅而出現裂隙,便於空氣通過,而在扇翅時各羽連合成嚴實的翼面以獲得最大的動量。整個鳥翼的背部為弧面,空氣流過時能產生大的升阻比,有利於飛翔。

動物飛行動物飛行

  鳥翼是一種輕巧的可變翼,它既有機翼那樣的飛行表面,又因翅尖(初級飛羽)向下、向前扇擊而有推進器的功能,借不斷改變翼的形狀和大小(負載面積)以及翼與軀體間的相對位置而適應各種條件下空氣動力學的需要。鳥類的尾翼寬而堅韌,張開時狀如團扇,在飛行中起舵的作用,有助於著陸轉身和減速。各飛羽末端之間的裂隙和氣流作用下的彈性變形,也能使氣流趨於平緩。鳥類飛行時的翼梢渦流可產生阻力,是由翅下方來的向外氣流與翅上方來的向內氣流所構成的旋渦引起的。加長翼的長度可以減少這種渦流,能分隔開翼端的渦流干擾。因此長而狹的翼比短而寬的翼飛行更為有效,但機動性差。展弦比大的升阻比值也高,善於翱翔的大型海鳥信天翁,展弦比為25,海鷗和雨燕為11,烏鴉為6,麻雀為5。翼負載(體重與翼面積的比值)對鳥類飛行也有重要的作用,快速飛行的鳥類大多具有較小的翼和較快的扇翅頻率,而翼面積較大的鳥類則能較緩慢地撲翼飛行。這是因為升力和阻力都與翼面積和速度平方的乘積成正比,所以大型鳥類一般翼負載較大,例如天鵝為200帕(20公斤力/米2),野鴨為100帕,烏鴉為30帕。
  動物飛行的基本類型  飛行動物的結構和功能儘管千差萬別,但飛行的基本類型可分為三類,即滑翔、翱翔和撲翼飛行。
  滑翔  從某一高度向下方飄行。滑翔得以持續的條件是:體重/速度=移動距離/失高。升力與阻力的比值越高和滑翔角度越小時,下沉也越慢,因而有較遠的水平滑翔距離。飛魚、飛蛙、飛蜥和鼯鼠等的飛行就屬於這種類型。鳥類的撲翼飛行也常伴以滑翔,特別是在著陸之前。
  翱翔  從氣流中獲得能量的一種飛行方式,也是不消耗肌肉收縮能量的一種飛行方式,一般分為靜態翱翔和動態翱翔兩類。前者利用上升的熱氣流或障礙物(例如山、森林)處產生的上升氣流。蝴蝶、蜻蜓和一些鳥類(例如鷹和烏鴉等)能利用這種垂直動量及能量產生的推力和升力。動態翱翔利用隨時間或高度不斷變化的水平風速產生的水平動氣流。許多大型海鳥(例如信天翁和海鷗)普遍採用這種飛行方式。風吹經海面時,越接近海面越因摩擦而受阻,因而在約45米高的氣層中產生許多切層,其風速從最低處的零達到頂層的最高速。海鳥利用這種動量在氣流中盤旋升降,不需要撲翼即可終日翱翔。
  撲翼飛行  借發達的肌群撲動雙翼而產生能量,是飛行動物最基本的飛行方式。昆蟲、蝙蝠和鳥類多作撲翼飛行。它們沿水平路線飛行時,翅膀向前下方揮動產生升力和推力,當推力超過阻力和升力等於體重時就能保持繼續向前的速度。昆蟲在揚翅和扇翅時都能產生升力和推力,這是因為它們在揚翅時翼呈「8」字轉動,借翼上表面轉向後下方擊動空氣獲得推力。鳥類在正常飛行中揚翅時不產生推力,而是靠前一次扇動時產生的水平動量向前沖,內翼(次級飛羽)則產生升力。鳥類翅膀的形狀、翼幅、負載、翼面弧度、後掠角以及飛翔的位置,均隨每一扇翅而發生顯著變化。撲翼頻率和幅度也隨翼的連結角和飛行速度而改變。鳥類撲翼飛行的空氣動力學機理至今尚未得到充分解釋。一般說來,在扇翅時翅尖向前向下產生推力,而內翅(次級飛羽)仍起機翼作用產生升力。翅尖具有大的連結角,不具備韌性就會失速。扇翅時翅尖的力能使每一根初級飛羽轉動,后緣在氣流壓力下向上彎,每一羽毛如同一螺旋槳那樣產生推力。當產生的推力大於總的阻力時,鳥的飛行就獲得加速(圖2)。

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  人類撲翼飛行  人類飛行最早曾受到動物,特別是鳥類飛行的啟發。飛行的第一步嘗試是單純模仿鳥飛的飛人試驗。據文獻記載,中國最早的飛人試驗(見中國古代飛行技藝)是在西漢王莽時代(公元23~25年)。中世紀后在歐洲作類似嘗試者也不乏其人。古代飛人試驗一般是把大鳥羽翼綁在人體上,靠重力從高處滑翔而下,結果往往失敗,最理想的也只能作短距離飄落,根本無法操縱。人們經若干年代的反覆試驗后終於認識到,這種將鳥翅強加於人體的做法並不能使人升空,必須製造出更大的機器才能把人送上天空。 16世紀初, 義大利的達·芬奇曾將物理學和解剖學知識應用於鳥的研究,作了大量有關撲翼飛行的筆記並繪製了草圖。他的撲翼方案是人體俯卧在飛行器上,靠划動兩根裝有鳥羽的槳而飛行。這種設計並不合理,是對鳥類飛行機理的誤解,但人們認為撲翼飛行能在短時間內提供巨大升力,是理想中的最佳飛行方式。因此在相當長的時間內,它成為飛行器探索者的主要研究對象。然而,揭開鳥類飛行秘密不僅是飛行器探索者孜孜以求的事,也是生物學家和生理學家熱衷研究的課題。撲翼器械實際上是飛人的延伸。鳥的骨骼強而輕,其胸肌之發達,心臟搏動和新陳代謝之迅速遠非人所能及。試驗證明,一個體格健壯的運動員即使作最大努力,也只能在極短時間內(約 0.1秒)發出1.47千瓦(2馬力)的功率。因此,人力或撲翼機之不現實性已很顯然。
  經過長期反覆實踐,人類終於摸索出幾條通往天空的道路:①根據熱空氣氣球原理而發明輕於空氣的飛行器;②靠旋轉面而直升飛行;③靠固定的翼面產生升力。第一種屬於輕於空氣的飛行器(見氣球、飛艇)。第二種來自某些飛行技藝(如竹蜻蜓)和昆蟲飛行的啟示。第三種除受風箏等面狀物的啟示外,主要是向鳥類和其他飛行動物學習。因此,早期的飛行器探索者大多借鑒於會飛的動物。人在空中遇到的問題和鳥在空中遇到的問題相同,解決的辦法也同樣巧妙,飛機的各主要部件都能在鳥身上找到對應的部分。在世界航空史上被公認為最早科學地解釋鳥翼運動的是英國的G.凱利。他不但首先將鳥的上升和推進兩種功能從概念上區分開來,還模仿鳥的軀體勾畫出現代飛機的輪廓。然而,要真正實現動力飛行,遠非單純模仿動物飛行所能完成,必須作到最大動力與最小重量的完滿結合,進而作到合理的外形與良好的穩定操縱相一致(圖3)。

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  定翼飛行器的探索  19世紀70年代以後,人們逐漸把注意力集中到定翼飛行器的研製,飛行探索進入定翼飛行器研究階段。首先面臨升力面的合理選擇問題。解決的途徑有二:一是對鳥翼構造及其滑翔規律進行考查;二是對風箏等升力面的空氣動力特性進行探討。然後將從兩方面得來的知識付諸實驗。鳥翼是天然有效的升力面,定翼飛行器研製者們紛紛仿製鳥翼並在飛行實踐中檢驗。鳥的弓形曲面翼幾乎成為早期定翼飛行器的標準翼型。而空氣動力學家們也大力從事這方面的研究和實驗。英國空氣動力學家H.菲利普斯通過原始的風洞實驗繪製出一些曲面翼型。美國航空先驅S.P.蘭利曾將鳥翼掛在旋轉臂上進行實驗。人們力圖通過這些研究和實驗找出適合現代飛行器使用的翼型,後來又通過對鳥翼的系統研究獲得有用的空氣動力學知識,從而擺脫了對鳥翼的單純模仿。但是人們對鳥類飛行秘密的探索並未終止,空氣動力學家Н.Е.茹科夫斯基、滑翔大師O.李林達爾、飛機發明人萊特兄弟,都對鳥類作過研究。論述鳥類飛行的著作也不斷出現,茹科夫斯基的《論鳥的飛翔》第一次分析了飛行動力學。還有一些人則從仿生學角度出發,直接從飛行動物中尋找範本。19世紀50年代出現的大型滑翔機就是模仿信天翁等大翼展海鳥的形態設計成的。李林達爾在進行大量滑翔試驗的同時,也曾對鳥的飛行進行過系統研究。他的《鳥的飛行──航空的基礎》等著作為後來的飛機研製者提供了寶貴的資料。
  鳥與飛機  飛機飛行與鳥類飛行有異曲同工之妙。鳥的飛行技術為飛機所沿襲和發展。把鷹和飛機來比較,兩者都有相似完整的一套改善空氣動力性能的裝置:①小羽翼和前緣縫翼。鷹鼓翼時使翼的連結角增大而增大升力,而翼角的小羽翼與翼體之間構成的縫隙則使氣流緊貼翼的背面流過,防止湍流發生。飛機機翼的前緣縫翼在起落和大迎角飛行時張開,使下翼面的高壓氣流經翼縫流到上翼面,吹除附面層中的紊流,提高臨界迎角並防止失速。②開縫翼尖和翼梢小翼。鷹外翼的開縫翼尖實為一單獨小翼,起降低翼尖尾渦強度的作用;飛機則為減弱翼尖渦流強度和誘導阻力而設置翼梢小翼。③襟翼。鷹的內翼前緣在飛行中下垂,使翼的彎度增加以提高升力,而飛機的前緣襟翼為相同目的而設置。
  參考書目
 W. N. Mcfaroland et al.,Vertebrate Life,Macmillan Publ.Co.,New York,1979.
 J.C.Weltu, The Life of Birds,Saunders College Publ.,Philadelphia,1979.
 J.Z.Young, The Life of Vertebrates,Clarendon Press,Oxford,1981.

 

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