鳥兒是怎樣靠翅膀飛起來的,為什麼飛機不是機翼上下震動起飛的?

趙曉


航空專業的同學來回答一下這個問題!

鳥和昆蟲都是依靠揮動翅膀飛起來的,如果用最簡單的話來描述其中的原理,就是鳥類通過撲打翅膀把空氣往下“推”,從而獲得一個向上的反作用力。

而大家平時看到的飛機不是用的這個原理,而是用的另外一種,簡單說,就是飛機發動機推動飛機產生一個水平速度,通過飛機機翼迫使原本水平相對運動的空氣向下流動,從而獲得一個向上的力,把整個飛機託舉起來。

這是大家最常見到的飛機(固定翼飛機),運用的是與鳥類不一樣的起飛原理。之間最主要的區別就是:固定翼飛機必須要與空氣產生相對運動才會有升力,而鳥類則是通過主動拍打空氣,所以不需要與空氣產生相對運動。

簡而言之:固定翼飛機需要滑行一段時間、使速度提高到一定程度才能夠飛起來,而鳥類基本上可以原地起飛。

而人類製造的飛行器,其實也有利用鳥類飛行的原理,這就是我們會說到的“撲翼機”(如下圖所示),這種飛機也是利用拍打翅膀來獲得升力的。

但是,撲翼機在人類設計的飛行器中很少用到,最主要的原因就是人類的飛行器對載重的要求很高、載荷太大。

小鳥的體重不大,即便是最大的鳥類:阿根廷巨鷹,體重不過區區70公斤【如下圖所示】。而人類的飛行器,比如說著名的A380客機,起飛時候的重量足足有560噸。

那麼為什麼會說載荷大了就不能用撲翼機呢?有三方面的原因:

第一個原因是機翼大了根本就撲騰不起來。大飛機都有大機翼,巨大的機翼想要撲打起來那個力就太大了。而且準確地說,這裡機翼受到的不是力,而是力矩。我打個比方:三五十斤重的啞鈴讓大家豎直舉起來,可能成年男性基本上都行;但是如果是讓水平平舉起來,那麼因為啞鈴會在肩膀位置產生巨大力矩作用,不是受過專業訓練的人根本不可能水平舉起來。而機翼也是一樣,你想讓這麼大的機翼克服力矩撲打起來,辦不到。

第二個原因是撲打起來機翼太容易壞了。我們都有這樣的生活經驗,一根鐵絲拉是拉不壞的,但是你只要反覆彎兩下它就斷了。飛機的機翼也是這樣,如果機翼受到的力是恆定不變的(受到向上的力),那麼機翼不容易壞;但是如果機翼拍打起來,一會兒受往上的力、一會兒受往下的力,沒多少下機翼就要斷掉了。

第三個原因是機艙裡面的人受不了。我們就算假設現在可以造出來這樣的飛機,會有人去坐嗎?從坐上飛機開始就是劇烈的上下晃動,跟坐跳樓機一樣,請問有誰願意給自己找罪受?

最後,撲翼機沒辦法高速飛行,而垂直起降我們有直升機,所以撲翼機完全就是多此一舉、自己給自己找麻煩。

總結一下:撲翼機因為種種原因,沒辦法在大型飛機上應用,垂直起降的優點又跟直升機重合了,所以除了在一些微小飛行器上有應用,其他的稍微大一點兒的飛行器都不會考慮“撲翼”這種飛行方式。


航小北的日常科普


這個問題看來只有老鷹航空來提供專業性回答了,為了回答的更為全面,下面從三個方面加以闡述:

1、鳥類飛行機理和飛機機理不同;

飛機,無論是旋翼機還是固定翼飛機,其基本升力產生機理就是伯努利方程,就是依靠氣流流經機翼上下表面所產生的流速差,由流速差從而產生壓力差,這個壓力差就是飛機的升力(當然精確的說是壓力差在垂直方向的分量)。

鳥類的飛行原理就比較複雜了,主要有兩個方面的因素構成:

  • 鳥類自由滑翔飛行時,其飛行原理,也就是升力機理還是伯努利方程的壓力差原理;

  • 撲動飛行時,其飛行原理就與伯努利方程無關了,具體見下面兩點。

2、鳥類翅膀在飛行中如何產生升力抵抗重力;

鳥類撲動翅膀過程中升力的產生主要依靠翅膀向下壓縮空氣,從而形成反作用力,這個反作用力就是升力。給予這個原理,鳥類在普通翅膀的過程中,如果要想獲得更好的升力和節約能量一般會採用下面兩種策略:

  • 加快撲動頻率,這樣升力就會更高;

  • 翅膀從上到下撲動過程儘量展開,而從下到上則儘量收縮,因為從下到上對於升力產生沒什麼實際作用;

3、鳥類如何產生推力從而推動鳥兒向前飛行;

鳥類飛行過程中推力的產生機理最為複雜,它是由翅膀向下大力撲動過程中在翅膀尾部區域形成一連串的卡門渦街,這些卡門渦街是不斷的隨著時間變化而變化,有高壓渦,有低壓渦,只有當靠近翅膀尾部區域的渦街是高壓渦的時候,這樣就在前後方向上產生了向前的壓力差,這就是推力。

所以,鳥類翅膀在撲動過程中產生的升力和阻力其實都是一個週期性力,不斷的隨著時間變化而變化,其背後氣動效率其實要超越固定翼飛機,但是對於當前的民航飛機或者戰鬥機而言那是不現實的技術,主要是因為下面兩點:

  • 結構振動實在太強了,沒有一種材料能夠保證長時間如此強烈的運動;

  • 鳥類撲動機理並不適用高速飛行,尤其是超音速飛行,只適用於比較小的低速飛行,也就是說沒有大規模應用的工業價值。


——問題就回答到這裡了——

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(圖片來自互聯網公開圖片,如侵則刪。)


老鷹航空


先來說鳥怎麼飛,再來說飛機為什麼不那麼飛。

人對飛行的探索一開始也是從對鳥的研究開始的。我們能發現鳥的翅膀和機翼在某些方面挺像。兩者其實原理相同,都是運用了流速越快壓強小,流速越小壓強越大的原理,只是操作的方式不同。

你看,兩者都是下部氣流速度低於上部,而流速越快壓強小,流速越小壓強越大,下部壓強高於上部,這就是升力。鳥在滑翔的時候其實和現在的飛機也很像,主要的差距在動力上。

看這個鳥扇動翅膀時的動作。大家可能單純的認為鳥只是向下拍動翅膀產生向上的升力,如果,我們看的仔細一些的話就會發現,鳥飛行的時候不是在‘撲’,其實是在‘攪’。

我們知道,空氣流動速度越大,壓強越小。升力的產生是因為翅膀下方空氣的流動速度小於上方的流動速度,我們的飛機用襟翼來壓低空氣的流動速度,鳥也是如此。

這隻鳥在扇動翅膀的時候翅膀其實是在向前下斜方扇動,在這種扇動的方式下,翅膀下部空氣流動速度被壓的足夠低,翅膀上面的空氣流動速度足夠快,再加上鳥本身體重就輕,所以才能輕易飛起。

反觀我們的飛機。由於飛機自重很大,再加上現在的材料如果做成鳥翼那樣的東西很容易發生斷裂,所以我們換了方法。我們的方法是讓飛機跑得夠快,隨著速度增加,氣流速度也變得更快,機翼上方氣流比下方氣流速度更快。機翼上下方氣流速度差異越大,升力越大,飛機就飛起來了。

像航母這種需要短距離起降的情況,我們會在氣動佈局上做調整,讓飛機在較低速度的情況下,機翼上方氣流和下方氣流的差距足夠大。


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