鸟儿是怎样靠翅膀飞起来的,为什么飞机不是机翼上下震动起飞的?

赵晓


航空专业的同学来回答一下这个问题!

鸟和昆虫都是依靠挥动翅膀飞起来的,如果用最简单的话来描述其中的原理,就是鸟类通过扑打翅膀把空气往下“推”,从而获得一个向上的反作用力。

而大家平时看到的飞机不是用的这个原理,而是用的另外一种,简单说,就是飞机发动机推动飞机产生一个水平速度,通过飞机机翼迫使原本水平相对运动的空气向下流动,从而获得一个向上的力,把整个飞机托举起来。

这是大家最常见到的飞机(固定翼飞机),运用的是与鸟类不一样的起飞原理。之间最主要的区别就是:固定翼飞机必须要与空气产生相对运动才会有升力,而鸟类则是通过主动拍打空气,所以不需要与空气产生相对运动。

简而言之:固定翼飞机需要滑行一段时间、使速度提高到一定程度才能够飞起来,而鸟类基本上可以原地起飞。

而人类制造的飞行器,其实也有利用鸟类飞行的原理,这就是我们会说到的“扑翼机”(如下图所示),这种飞机也是利用拍打翅膀来获得升力的。

但是,扑翼机在人类设计的飞行器中很少用到,最主要的原因就是人类的飞行器对载重的要求很高、载荷太大。

小鸟的体重不大,即便是最大的鸟类:阿根廷巨鹰,体重不过区区70公斤【如下图所示】。而人类的飞行器,比如说著名的A380客机,起飞时候的重量足足有560吨。

那么为什么会说载荷大了就不能用扑翼机呢?有三方面的原因:

第一个原因是机翼大了根本就扑腾不起来。大飞机都有大机翼,巨大的机翼想要扑打起来那个力就太大了。而且准确地说,这里机翼受到的不是力,而是力矩。我打个比方:三五十斤重的哑铃让大家竖直举起来,可能成年男性基本上都行;但是如果是让水平平举起来,那么因为哑铃会在肩膀位置产生巨大力矩作用,不是受过专业训练的人根本不可能水平举起来。而机翼也是一样,你想让这么大的机翼克服力矩扑打起来,办不到。

第二个原因是扑打起来机翼太容易坏了。我们都有这样的生活经验,一根铁丝拉是拉不坏的,但是你只要反复弯两下它就断了。飞机的机翼也是这样,如果机翼受到的力是恒定不变的(受到向上的力),那么机翼不容易坏;但是如果机翼拍打起来,一会儿受往上的力、一会儿受往下的力,没多少下机翼就要断掉了。

第三个原因是机舱里面的人受不了。我们就算假设现在可以造出来这样的飞机,会有人去坐吗?从坐上飞机开始就是剧烈的上下晃动,跟坐跳楼机一样,请问有谁愿意给自己找罪受?

最后,扑翼机没办法高速飞行,而垂直起降我们有直升机,所以扑翼机完全就是多此一举、自己给自己找麻烦。

总结一下:扑翼机因为种种原因,没办法在大型飞机上应用,垂直起降的优点又跟直升机重合了,所以除了在一些微小飞行器上有应用,其他的稍微大一点儿的飞行器都不会考虑“扑翼”这种飞行方式。


航小北的日常科普


这个问题看来只有老鹰航空来提供专业性回答了,为了回答的更为全面,下面从三个方面加以阐述:

1、鸟类飞行机理和飞机机理不同;

飞机,无论是旋翼机还是固定翼飞机,其基本升力产生机理就是伯努利方程,就是依靠气流流经机翼上下表面所产生的流速差,由流速差从而产生压力差,这个压力差就是飞机的升力(当然精确的说是压力差在垂直方向的分量)。

鸟类的飞行原理就比较复杂了,主要有两个方面的因素构成:

  • 鸟类自由滑翔飞行时,其飞行原理,也就是升力机理还是伯努利方程的压力差原理;

  • 扑动飞行时,其飞行原理就与伯努利方程无关了,具体见下面两点。

2、鸟类翅膀在飞行中如何产生升力抵抗重力;

鸟类扑动翅膀过程中升力的产生主要依靠翅膀向下压缩空气,从而形成反作用力,这个反作用力就是升力。给予这个原理,鸟类在普通翅膀的过程中,如果要想获得更好的升力和节约能量一般会采用下面两种策略:

  • 加快扑动频率,这样升力就会更高;

  • 翅膀从上到下扑动过程尽量展开,而从下到上则尽量收缩,因为从下到上对于升力产生没什么实际作用;

3、鸟类如何产生推力从而推动鸟儿向前飞行;

鸟类飞行过程中推力的产生机理最为复杂,它是由翅膀向下大力扑动过程中在翅膀尾部区域形成一连串的卡门涡街,这些卡门涡街是不断的随着时间变化而变化,有高压涡,有低压涡,只有当靠近翅膀尾部区域的涡街是高压涡的时候,这样就在前后方向上产生了向前的压力差,这就是推力。

所以,鸟类翅膀在扑动过程中产生的升力和阻力其实都是一个周期性力,不断的随着时间变化而变化,其背后气动效率其实要超越固定翼飞机,但是对于当前的民航飞机或者战斗机而言那是不现实的技术,主要是因为下面两点:

  • 结构振动实在太强了,没有一种材料能够保证长时间如此强烈的运动;

  • 鸟类扑动机理并不适用高速飞行,尤其是超音速飞行,只适用于比较小的低速飞行,也就是说没有大规模应用的工业价值。


——问题就回答到这里了——

对航空感兴趣的朋友不妨来关注老鹰航空吧。

(图片来自互联网公开图片,如侵则删。)


老鹰航空


先来说鸟怎么飞,再来说飞机为什么不那么飞。

人对飞行的探索一开始也是从对鸟的研究开始的。我们能发现鸟的翅膀和机翼在某些方面挺像。两者其实原理相同,都是运用了流速越快压强小,流速越小压强越大的原理,只是操作的方式不同。

你看,两者都是下部气流速度低于上部,而流速越快压强小,流速越小压强越大,下部压强高于上部,这就是升力。鸟在滑翔的时候其实和现在的飞机也很像,主要的差距在动力上。

看这个鸟扇动翅膀时的动作。大家可能单纯的认为鸟只是向下拍动翅膀产生向上的升力,如果,我们看的仔细一些的话就会发现,鸟飞行的时候不是在‘扑’,其实是在‘搅’。

我们知道,空气流动速度越大,压强越小。升力的产生是因为翅膀下方空气的流动速度小于上方的流动速度,我们的飞机用襟翼来压低空气的流动速度,鸟也是如此。

这只鸟在扇动翅膀的时候翅膀其实是在向前下斜方扇动,在这种扇动的方式下,翅膀下部空气流动速度被压的足够低,翅膀上面的空气流动速度足够快,再加上鸟本身体重就轻,所以才能轻易飞起。

反观我们的飞机。由于飞机自重很大,再加上现在的材料如果做成鸟翼那样的东西很容易发生断裂,所以我们换了方法。我们的方法是让飞机跑得够快,随着速度增加,气流速度也变得更快,机翼上方气流比下方气流速度更快。机翼上下方气流速度差异越大,升力越大,飞机就飞起来了。

像航母这种需要短距离起降的情况,我们会在气动布局上做调整,让飞机在较低速度的情况下,机翼上方气流和下方气流的差距足够大。


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