扑翼飞行原理探索

《扑翼飞行原理探索》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、扑翼飞行原理探索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，当鸟在空屮飞行的时候，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屮滑翔。人们对鸟类翅膀的研究创立了

2、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冋，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。敁然，？湟矸尚性?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

3、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宄。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）；（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屮的游泳者。

4、就像人游泳时通过将水推开来前进一样，翅膀拍动吋，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。研宄表明，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

5、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，而另一表妞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而

6、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，在上拍过程屮，翅膀会有一定程度的折叠和收拢，使面积减小，主羽毛也会散幵，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tl,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

7、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人关系。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。前缘涡在翅谢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。1.2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，而不是从翅膀表谢垂直发出的。扇扇子时

8、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