張錫元

【摘 要】 鳥(niǎo)類(lèi)、有翼昆蟲(chóng)等飛行動(dòng)物都有著獨(dú)特的身體構(gòu)造。經(jīng)過(guò)幾千萬(wàn)、幾億年的自然選擇，飛行動(dòng)物的身體各個(gè)部分不斷變化著，形成了各種有益于飛行的機(jī)構(gòu)，使得生物個(gè)體的飛行能力得到各種各樣的提升。然而不同生物的飛行構(gòu)造有著很大的不同，使得它們的獲得飛行動(dòng)力的方式也有很大的不同，這使得不同動(dòng)物的飛行各有特點(diǎn)。本文以理論力學(xué)知識(shí)，對(duì)昆蟲(chóng)、小型鳥(niǎo)類(lèi)以及大型鳥(niǎo)類(lèi)的飛行進(jìn)行了力學(xué)分析，并基于分析對(duì)它們的身體構(gòu)造以及飛行方式進(jìn)行了解釋。

【關(guān)鍵詞】 飛行動(dòng)物；身體構(gòu)造；力學(xué)分析

一、簡(jiǎn)介

仿生學(xué)近十幾年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究的重要方向。我們知道人類(lèi)進(jìn)化只有500萬(wàn)年的歷史，而生命的總進(jìn)化歷程已經(jīng)有了35億年，這個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程中產(chǎn)生的最終結(jié)晶——各類(lèi)動(dòng)物，它們的生活運(yùn)動(dòng)都值得我們?nèi)パ芯?，而且現(xiàn)在我們也正在朝著這個(gè)方向努力。在研究動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，也誕生了許多的新興學(xué)科，如生物力學(xué)，以及其下的生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)，昆蟲(chóng)拍翼非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)和柔性形變效應(yīng)等。在這些學(xué)科的支持下，相應(yīng)的應(yīng)用學(xué)不斷崛起，我們?cè)陲w行器、航天器等人造飛行設(shè)備中對(duì)動(dòng)物身體結(jié)構(gòu)的參考也越來(lái)越多。從100多年前開(kāi)始，Wright兄弟就根據(jù)鳥(niǎo)類(lèi)的滑翔飛行發(fā)明了飛機(jī)，之后人們又根據(jù)鳥(niǎo)類(lèi)的尾羽改進(jìn)飛機(jī)的尾翼，現(xiàn)在受小型飛行昆蟲(chóng)啟發(fā)的微型飛行器也越來(lái)越熱門(mén)，仿生機(jī)器學(xué)使機(jī)械的運(yùn)動(dòng)更靈活效率更高。對(duì)飛行動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的研究，勢(shì)必將極大地推動(dòng)人類(lèi)飛行器與運(yùn)載工程學(xué)科的發(fā)展。

鳥(niǎo)類(lèi)、有翼昆蟲(chóng)等飛行動(dòng)物都有著獨(dú)特的身體構(gòu)造。經(jīng)過(guò)幾千萬(wàn)、幾億年的自然選擇，為了方便自己的行動(dòng)以在大自然中求得一個(gè)個(gè)生存的機(jī)會(huì)，飛行動(dòng)物的身體各個(gè)部分不斷變化著，形成了各種有益于飛行的結(jié)構(gòu)。而這些身體構(gòu)造的變化，使得生物個(gè)體的飛行能力得到各種各樣的提升。然而它們各自的飛行構(gòu)造顯然有著很大的不同，本文對(duì)有翼昆蟲(chóng)與鳥(niǎo)類(lèi)的身體構(gòu)造進(jìn)行了對(duì)比，簡(jiǎn)要分析了這兩種動(dòng)物翼的作用方式的不同以及相應(yīng)的飛行模式的不同。

二、基本原理與分析

1.動(dòng)物飛行構(gòu)造的力學(xué)分析

昆蟲(chóng)種類(lèi)繁多、形態(tài)各異，是地球上數(shù)量最多的動(dòng)物群體，它們的蹤跡幾乎遍布世界的每一個(gè)角落。昆蟲(chóng)之所以能一直在地球上占有一席之地，與它們出色的生理構(gòu)造是分不開(kāi)的。而據(jù)70年代末統(tǒng)計(jì)，全世界有雙翅目的昆蟲(chóng)132個(gè)科12萬(wàn)余種，其中蠅類(lèi)就有64個(gè)科3萬(wàn)4千余種。蒼蠅善于飛翔，飛行速度可達(dá)每小時(shí)6～8 千米，最高每晝夜飛行8～18 千米。但平常多在滋生地半徑100～200米范圍內(nèi)活動(dòng)，大都不超過(guò)1～2 千米。在蒼蠅飛行時(shí)，以蒼蠅的身體為參考系，蒼蠅的雙翼做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，我們把蒼蠅的雙翼視為剛體，質(zhì)量為m0，周?chē)目諝饷芏认嗤?，這時(shí)空氣產(chǎn)生的阻力與物體運(yùn)動(dòng)速度成正比，而對(duì)于同一翼，速度相同的時(shí)候，翼上某點(diǎn)的速度與該點(diǎn)到翼根的距離成正比，于是在以上假設(shè)下速度的作用力可視為一線性分布荷載q，如圖 2 所示。其中蒼蠅身體重m，蒼蠅翼長(zhǎng)為L(zhǎng)，下面我們來(lái)計(jì)算一下蒼蠅飛起來(lái)所需用的力氣的大小。

1.取蒼蠅的左翼為研究對(duì)象則對(duì)于蒼蠅的翼，其上所受外力除上述線性分布荷載產(chǎn)生的力之外，還有蒼蠅翼根部（可視為一固定端）的力F0，和蒼蠅翼根肌肉產(chǎn)生的力M。

線性分布荷載可視為一組平行力系，將其簡(jiǎn)化為一集中力Fq，其大小為：

此集中力的作用線可以利用合力

矩定理確定：

取蒼蠅翼所在直線及其垂直方向分別為y、x軸，列平衡方程：

解方程求得：

因?yàn)樯n蠅飛行的支持力由兩翼共同提供，故：

而有翼昆蟲(chóng)的翼重量加上身體重量的一半即為蒼蠅總重的一半，而總重與體積成正比，即與身體尺寸L0的三次方成正比。得到：

對(duì)于確定的動(dòng)物身體構(gòu)成與形狀，K為一個(gè)常數(shù)。于是我們得到了扇動(dòng)翅膀飛行時(shí)所需滿足的方程：

相較于有翼昆蟲(chóng)，鳥(niǎo)類(lèi)采取了不一樣的飛行方式，由于它們經(jīng)常進(jìn)行長(zhǎng)途遷徙，所以有了一種以滑翔為主的飛行方式。

與剛才的分析類(lèi)似，最終可解得：

2.不同生物身體構(gòu)造與飛行方式之間的聯(lián)系，根據(jù)方程：

做出兩個(gè)力隨著各自的L，L0增長(zhǎng)的變化關(guān)系圖像。

L增大時(shí)，重力以三次方的速度增長(zhǎng)，而空氣動(dòng)力隨L0以一次速度增長(zhǎng)，若要維持飛行，需使二力相等，可以看出，當(dāng)身體越重，動(dòng)物體型越大，翼與身體的比長(zhǎng)度越大。

蒼蠅等有翼昆蟲(chóng)，體型較小，維持飛行所需的比長(zhǎng)度較小，故其雙翼不許過(guò)長(zhǎng)，一般與身長(zhǎng)相近或稍長(zhǎng)，就可以維持它們?cè)诳罩酗w行。

另一方面，翅膀扇動(dòng)的角速度影響線性分布荷載q的大小，當(dāng)L0較小時(shí)，維持飛行所需的qL/2較小，通過(guò)減小翅膀的長(zhǎng)度，增加q的大小，通過(guò)高速扇動(dòng)翅膀維持飛行，這種飛行模式有明顯的優(yōu)點(diǎn)，由于翅膀扇動(dòng)速度較快，其靈活性較大，適用于在各種復(fù)雜環(huán)境下飛行；然而缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，這種模式只適用于小型動(dòng)物，對(duì)于體型較大的鳥(niǎo)類(lèi)以及翼龍等大型飛行動(dòng)物，是不可行的。這種飛行方式適應(yīng)于昆蟲(chóng)和小型鳥(niǎo)類(lèi)生活的草叢、灌木叢以及現(xiàn)代建筑中較為復(fù)雜的環(huán)境，如鳥(niǎo)類(lèi)中振翅最快的角蜂鳥(niǎo)，翅膀拍動(dòng)速度可達(dá)90次/秒。

對(duì)大型鳥(niǎo)類(lèi)，其身體重量相對(duì)于昆蟲(chóng)麻雀等較大，因此會(huì)生有極長(zhǎng)的翅膀。例如體大的褐色鷲身長(zhǎng)100厘米，雙翅展開(kāi)約3米左右；體型最大的一種信天翁——漂泊信天翁，翼展平均達(dá)3.1米，最長(zhǎng)可達(dá)3.7米。這種鳥(niǎo)類(lèi)，相較于快速拍動(dòng)翅膀飛行，更適應(yīng)于高空滑翔，由前面的計(jì)算可知，滑翔飛行產(chǎn)生的力要維持動(dòng)物體不下落的條件與拍翼飛行類(lèi)似，所需的力矩（qL/4）較拍翼（qL/3）飛行小，可以在長(zhǎng)期飛行時(shí)節(jié)省體力；而且均布荷載q源于高空中風(fēng)的升力，并不需要鳥(niǎo)類(lèi)主動(dòng)拍動(dòng)翅膀產(chǎn)生動(dòng)力，如兀鷲可以飛到近萬(wàn)米的高空，數(shù)小時(shí)不拍翅保持滑翔。高空滑行對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)體力的節(jié)約和長(zhǎng)途飛行效率的提升是巨大的，憑著此種飛行模式和巧妙的身體構(gòu)造，北極燕鷗每年往返于兩極之間，飛行距離達(dá)4萬(wàn)多公里；北美金鸻，可以以90千米/小時(shí)的速度連續(xù)飛35小時(shí)，越過(guò)2，000多公里的海面。

三、結(jié)論

本文以理論力學(xué)知識(shí)，對(duì)昆蟲(chóng)、小型鳥(niǎo)類(lèi)以及大型鳥(niǎo)類(lèi)的飛行進(jìn)行了力學(xué)分析，并基于分析對(duì)它們的身體構(gòu)造以及飛行方式進(jìn)行了解釋。身體構(gòu)造的不同與飛行方式的不同是息息相關(guān)的，每種運(yùn)動(dòng)方式必定會(huì)反映出身體構(gòu)造的特征，而不同的身體構(gòu)造適應(yīng)于各種不同的運(yùn)動(dòng)方式；這兩者的配合可以使動(dòng)物有更高的運(yùn)動(dòng)效率，可以體現(xiàn)在靈活性、速度、持久度等各方面，運(yùn)動(dòng)效率的提高使得飛行動(dòng)物可以適應(yīng)各種各樣的環(huán)境?？偟膩?lái)說(shuō)，這些生理特性與生活習(xí)慣，都是動(dòng)物們?cè)谧匀贿x擇下，對(duì)自己所在的生活環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。

【參考文獻(xiàn)】

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