鳥兒為啥這麼會飛?

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要理解翅膀形狀如何影響鳥類飛行的靈活性,需要能將質量和幾何形狀與空氣動力學性能聯繫起來的參數。一項對飛行慣量性質的分析填補了這方面空白。

鳥類飛行的研究能揭示動物的演化歷程,並為工程設計提供靈感。Harvey等人[1]在《自然》上撰文,報導了鳥類飛行的部分基礎原理,加深了我們對此的理解。

飛機設計的一個早期關鍵階段是開發運動方程。這些方程將飛機的內在屬性(例如其質量和幾何形狀)與其空氣動力學性能(所涉及的力和力矩)聯繫起來。力和力矩與質量和慣性(運動變化的阻力)的比值為設計人員計算飛機潛在的加速度能力提供信息。運動方程還有助於評估飛機的基本特徵,例如其潛在的速度,朝向和機動能力(改變其飛行路徑的方向和速度)。

開發這樣的框架是發現設計局限和創造機會的標準方法。相比之下,儘管從萊昂納多·達·芬奇時代起,鳥類飛行就令科學家和工程師深深著迷,但研究鳥類飛行和機動性的標準化框架一直很欠缺,部分原因是慣量性質相關的數據有限。

Harvey及其同事朝著建立這樣一個框架邁出了重要的一步。他們開發了一種分析方法,通過測量翅膀肘腕關節的全運動範圍,來確定22種鳥類的慣量性質(圖1)。作者假定一隻鳥可以被建模為多個簡單幾何形狀的組合,藉此以肘腕關節角度函數確定了翅膀、身體和尾巴對慣量的貢獻。這些慣性量可以作為理論框架的輸入參數,用於研究鳥類在飛行過程中改變翅膀形狀(稱為翅膀變形)時的機動性。

鳥兒為啥這麼會飛?-第1张图片-頭條新聞網

圖1 | 大藍鷺(Ardea herodias)。這是Harvey等人[1]用於分析翅膀特性的22種鳥類之一。作者對翅膀變形時慣量特徵的分析填補了我們知識中的空白。來源:Getty

和僅限於可觀測飛行行為的實驗方法相比,採用分析方法來研究機動性提供了一種方法,用於測試關於機動能力極限的演化假設。該方法也可用於揭示幾何屬性和運動範圍如何影響穩定性(鳥類在受到干擾後恢復平衡的傾向),而無需進行大量的飛行測試和觀測。

該研究的關鍵發現是,為翅膀形變對鳥類重心位置的影響提供見解;提出一種方法來估計各種鳥的身體各部位對不同運動方向(稱為俯仰,偏航和滾動)的旋轉特性的貢獻;並能夠評估鳥類從穩定飛行到不穩定飛行的能力,反之亦然。

Harvey等人表明,重心在整個肘腕關節的可活動角度範圍內幾乎保持不變。與尾部、軀乾和頸部的貢獻相比,翅膀變形對俯仰旋轉慣量的貢獻很小。相比之下,翅膀變形,特別是肘部角度,強烈影響滾轉和偏航慣量。這可能意味著,在飛行過程中鳥類傾向於移動肘關節以觸發滾轉角度和速度的變化。

通過研究肘關節和腕關節的全運動範圍,Harvey及同事提出一個大參數空間,允許得出關於翅膀整體形狀如何影響慣性特性的結論。但重要的是,它將空氣動力學效率、穩定性和機動性的相關見解與參數空間關聯起來。

正如飛機設計中經常出現的,效率和機動性之間需要權衡。效率最高的那些飛行器,例如滑翔機,它的機動性則較低,而機動性更強的,例如戰鬥機,其效率往往較低。早期的工作[2]表明,鳥類可以通過改變肘部角度來控制效率和機動性之間的這種權衡。

然而,目前尚不清楚鳥類是否已經演化到具有更穩定或更具機動性的飛行能力。用於評估飛機或鳥類俯仰穩定性的指標稱為靜穩定裕度。其定義為重心和中性點之間的距離,而中性點是空氣動力學力作用的點。正靜穩定裕度表明中性點位於重心後面,意味著配置更穩定,機動性更低,而負靜穩定裕度(中性點位於重心前面)表示配置不穩定,但機動性高。

有研究[3]表明,鳥類正在朝著更具機動性和更不穩定的方向演化(朝著更負的靜穩定裕度方向)。Harvey及其同事的主要發現是,儘管在所分析的肘部和腕部角度的整個範圍內,重心幾乎保持不變,但中性點發生了顯著變化。這種變化導致靜穩定裕度發生變化。事實上,所分析的物種中有77%可以從穩定配置轉變為不穩定配置,反之亦然。這表明,對翅膀運動範圍的演化壓力維持了鳥類在穩定和不穩定飛行之間轉換的能力。這是一個有力的發現,因為它表明鳥類不僅可以調整翅膀的幾何形狀,以犧牲效率換取機動性,反之亦然,而且它們還可以調節和改變飛行中的機動性水平。

研究鳥類的翅膀形狀,並將這一特徵與飛行相關特徵聯繫起來,為控制鳥類飛行的物理和演化壓力提供了見解。從中人們可能提煉關鍵原理,用於開發性能卓越的仿生無人機。這樣的飛行器可以在各種任務中調整其機翼形狀,以最大限度地提高各種操作條件下的效率、穩定性或機動性。

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