斯坦福大学的研究人员发现,阻力可以将鸟类提升到新的高度

未来的航空设计可能要感谢斯坦福大学的五只鹦鹉,它们在装有仪器的飞行舱里扑腾。他们发现,与人们对动物和飞机如何飞行的传统理解相反,鸟类可以利用阻力来支持起飞时的体重,并利用升力作为着陆时的刹车。

传感器和高速摄像机测量鹦鹉加里的力量,因为他起飞和降落之间的两个栖息。(图片来源:Diana Chin)

“你在课堂上学到的东西并不总是正确的,”机械工程助理教授戴维•兰汀克(David Lentink)表示。新的发现可以改变对熟悉概念的理解。在这种情况下,他说,“我们必须修正我们对阻力作用的看法。”

传统智慧告诉我们,阻力是一种使物体减速的力,而升力是一种反重力的力,它能使一只鸟或一架飞机飞起来。但是研究生Diana Chin在11月25日的《自然通讯》杂志上发表的测量结果显示,鸟类在起飞时利用阻力来支撑它们一半的体重,而这种升力有助于它们在着陆时刹车。

测量飞行力

为了实时测量水平和垂直力,Chin在地板、天花板、鸟儿飞行路径的前后都安装了传感器面板。每个面板包含三个传感器,就像用于鸟的起飞和降落的两个栖所一样,总共有18个传感器来测量一只30克重的鸟产生的微小力。

嵌在嵌板上的窗户使Chin能够用5台高速摄像机以每秒1000帧的速度拍摄翅膀的运动。通过结合来自图像的测量运动和来自传感器的力测量,Chin和Lentink首次可以确定起飞和降落时升力和阻力的大小。

“以前从来没有过这样的东西,”Lentink说。“测量技术本身就是一项工程成就。因此,Chin花了几次迭代才成功地设计和制造了这个结构。下一个挑战是让实验室里的鹦鹉——嘎嘎、加里、奥利奥、奥罗拉和男孩——自愿在里面飞行。

的鸟

对Chin来说,幸运的是,鹦鹉是非常容易训练的鸟类,它们会很高兴地从一个栖木飞到另一个栖木,来获取小米的种子。从这些飞行中,Lentink和他的团队发现,通过在起飞时倾斜翅膀,鸟类可以将升力向前调整以加速,并向上拖动来支撑一半的体重。

“起飞是最重要的,但你也希望安全着陆,”Lentink说。在起飞过程中对阻力的重新利用实际上最大限度地提高了鸟儿产生的力量,而改变升力的方向可以帮助它们减速,而不需要在进行他们称之为着陆的受控碰撞之前进行制动。

“许多其他拍动翅膀的动物可能也会在起飞和降落时使用类似的升力和阻力,”Chin说。幼鸟、也会在水下游泳的海鸟,以及那些难以用翅膀产生必要空气动力的更原始的鸟类,会发现这种策略特别有用。

鸟类的远古祖先,被称为原始鸟类,也有翅膀,主要产生阻力。由于阻力实际上可以帮助支撑起飞时的体重,Chin和Lentink都承认,可能有一些先前被归类为不会飞的物种,可以利用阻力在空中飞行。

Lentink说,经过了1.5亿年的鸟类进化,“如果现代鸟类还在利用它,那就说明了很多问题。”“这并不意味着它是有效的,但它是有效的。”

修改教科书

我们应该重建所有的航空技术来反映这一发现吗?不完全是。虽然Lentink不会涉及波音747的设计,但他确实建议重新审视鸟类飞行进化和空气动力学的教学方式。

“我认为飞行教科书上的很多图画可能会误导人,尤其是涉及到动物飞行时,”Chin说。阻力可能在动物飞行的进化过程中扮演了重要的角色。对于鸟类的祖先来说,使用阻力来支撑它们的体重可以帮助它们提升能力,直到它们的翅膀能够飞行。

“没有任何航天文献提出使用阻力来支撑重量,”Lentink一边说,一边把生物学和空气动力学课本从书架上拿下来,指着画着相关力量的飞行鸟类图表。“标准图纸必须修改。”

即使传统飞机不会发生翻天覆地的变化,Lentink也看到了空中机器人设计的潜在应用。就像鸟类一样,利用阻力在空中飞行可能不是最有效的方法,但它可以帮助它们离开地面。

这项工作由国家科学基金会、斯坦福大学研究生奖学金和国防科学与工程研究生奖学金资助。

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2019/11/25/drag-can-lift-birds-new-heights/

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