鸟和昆虫的飞行

鸟和昆虫的飞行呈现出多种多样的机制，但就其基本特征而言，可归纳为两种主要类型：翱翔和扑翼飞行。两种类型飞行的机理迥然不同。研究这些机理，对航空技术的发展有一定的促进作用。

翱翔  一种较简单的飞行方式，与气流条件密切相关。大型鸟类善于用这种方式飞行。鸟展翅翱翔时，翅膀基本不动，其作用像固定的机翼，在相对气流作用下产生举力，克服自身重量。鸟依靠飞行路径的下倾，利用自身重量在前进方向上的分力来克服所受的阻力。从能量角度看，翱翔所耗能量，源于鸟具有的势能，即靠损失势能来获得飞行速度。所以，翱翔必须有适当的气流条件，在静止空气中，鸟不能持续翱翔。在上升气流中，鸟的翱翔有如滑翔机在上升气流中的滑翔一样，即利用上升气流对翅膀的作用获得抬起运动，下滑所掉高度，为抬起运动所补偿。这样鸟的飞行高度就不会下降，或者很少下降，甚至升高。滑翔速度可通过调整鸟翼的展弦比和姿势、变更飞行路径的下倾角等进行调节。有些鸟也能在速度随高度增大的水平气流中翱翔。图1说明一只翱翔的鸟在这种气流中的飞翔路径。从图上可以看出，鸟通过高速迎风滑翔和利用风速随高度增大的条件，由A点开始争得上扬高度，到达C点后，掉头顺风下滑争得速度，随后于H点掉头在低空作几乎水平的滑翔，利用这段滑翔，争回上扬过程中后退的路程，到达J点，从而逆风前进。

图1

扑翼飞行  鸟和昆虫靠自身体力和特殊生理构造实现的一种较复杂的动力飞行。所需空气动力主要来自往复扑动的翅膀与周围空气间的相互作用。从能量角度看，这种飞行是靠消耗鸟或昆虫自身的能量维持的。

扑翼飞行时鸟翅膀的动作因鸟的种类和飞翔状态的不同而异。通常一个扑动周期可分三个阶段，在不同的阶段翅膀的形状和姿势不断改变，以获得最佳举力和推进力(图2)。

这三个阶段是：①下扑阶段：飞羽紧闭，整个翼面成为一张基本不透气的面，翅膀略下倾，气流相对翼剖面成正攻角，在翼面上产生向上举力和朝前的推进力；②停留阶段：鸟翼稍作停顿，并调整翅膀姿势和飞羽的排列，为翼的上挥作准备；③上挥阶段：飞羽散开，上下翼面间形成许多缝隙，鸟翼略上倾，气流相对鸟翼剖面的攻角在内段为正，外段为负，这样在翼面内、外段部分上产生相反的举力和推进力。同飞机相比，鸟翼在扑翼飞行中同时承担着机翼和螺旋桨的任务，但鸟翼内、外段所起作用不均等，外段主要产生推进力，内段主要产生举力。昆虫作扑翼飞行时，翅膀的动作与鸟翼颇不相同。昆虫翅膀无羽毛，其形状和翼面大小一般不能改变，只可作向上、向下或旋转运动。图3以麻蝇为例，说明昆虫飞翔时翅膀的动作状况：翅下扑时，产生一小的推进力和一较大的举力；上挥时，产生一小的举力和一较大的推进力(图3b)。在每一动作终了时，翅膀通过转动改变其方位角而维持在扑翼过程中产生的举力和推进力。

图3b

参考书目 L.普朗特等著，郭永怀、陆士嘉译：《流体力学概论》，科学出版社，北京，1981。(L.Prandtl，et al.，Fhrer Durch die Str-mungslehre，Friedr.Vieweg und Sohn，Braunschweig，1969.) L.莱顿著，赵冠美译：《生物系统的流体动性》，科学出版社，北京，1980。(L.Leyton，Fluid Behaviour in Biological Systems，Oxford Univ.Press，London，1975.) J.W.S. Pringle， Insect Flight，Cambridge Univ.Press，London，1957.