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鸟类飞行的真实原理

2011-08-22 14:31阅读:
至今人们对鸟类为什么能够在天上飞行,还无法理解。本文从简略的原理,希望能够给您带来常识性的解答,揭开鸟类的飞行真实原理。
鸟类在飞行时,是因为鸟的翅膀的上方产生了真空,这个真空区在翅膀的上方产生了真空区力,这个真空区力很大,最大时相当于一个大气压。中学时大家就学习过一个大气压等于1公斤的气压,就是1千克力/平方厘米的通俗工程叫法,也约0.098MPa≈0.1MPa 。每个人身体有表面积约二平方米,大约受到二万公斤的大气力,这个力压在身上我们并不感觉,那是因为它是平衡力。如果平衡被打破,这个力就会立刻显示出来。鸟类的翅膀扇动,就是打破了这个力的一部分,所以这个力就显示出来了。下面我们就对这个过程进行有限的分析:
鸟类在飞翔时用翅膀上下扇动,现用一刚性薄板代替翅膀的作用,并分析如下:
我们将刚性薄板水平放置于静止空气中,并沿铅垂向剖切,得剖面四个角点位置ABCD,见图一。此时薄板不动,薄板相对于空气的速度V=0。图中EF分别为CD的重叠点,固定在坐标上,不随薄板运动,薄板所占据的自身空间没有空气分子,可视为空气在此空间为真空。
鸟类飞行的真实原理


板的上下面均受到相等的空气压力,在不计重力(以下均如此)下,板处于静止悬浮状态,即静平衡状态。
现将板以V速度向下移动,经瞬间后,板到达ABCD新位置。这时DCEF构成了新产生的立体空间(与向书里的水平面一同构成),这个空间原为薄板所占据,为真空,没有空气分子。这时EF线段(或水平面)以上的空气分子将向DC线段(或水平面)运动,形成扩散,以填补新出现的真空空间,沿FD方向,离DC线段(或水平面)近的真空度较高,即空气较稀薄,空气的压强较小,如图图二所示,DCEF构成了稀薄空气区,即真空区。(如果注意到EF水平面的分子总是落后DC平面,因为平板总是要先移动的,然后流体分子才能跟着扩散运动,那么将会出现“脱层”,在这个“脱层”空间压强将是接近或是绝对真空,这就与柏努利原理根本不同了,正是这点不同,可能因此产生了与柏努利不同的答案,即使鸟类获得了足够的飞行力量)。

鸟类飞行的真实原理
按牛顿定律,作用力与反作用力大小相等,方向相反,且作用在不同物体上,作用点是在相互作用的物体那个接触点上。此时薄板受力是最靠近薄板边界层的空气给薄板的作用力,这个力是DC流体真空度最高的,它产生的真空力最大。板因上方产生了真空,板的上方原来作用于板的空气压强减弱,即向下的压力减小,就是说,向下的力量减小了。板的下方AB平面受空气的压力不变,板的总受力为下方作用力减去上方的作用力(即P下—P稀薄=P合力),此时合力不为零,合力方向向上,使薄板作向上的加速度运动,即使薄板的向下速度减慢,如图三所示。其中P下代表下面板的压力,P稀薄代表上面板的压力。只要有相对速度,两个压力相减应为正值,且方向向上,使薄板减速。
鸟类飞行的真实原理

现在我们来看鸟类在空气中的几种飞行状态:
1、悬停于空中:
当P合力等于鸟重量,并方向垂直向上时。鸟类翅膀在空气中是往下扇动的,扇动的两翅膀上方产生的真空区力等于鸟的自身体重,且与重力重合,这样鸟就静止不动了。
2、向前飞:
当P合力大于或等于鸟重量,方向向上,并倾斜一个a角度时,如图四所示。
鸟类飞行的真实原理

现鸟向图四的左方(认左方为鸟飞行的前方),这时鸟类翅膀在空气中往左方倾斜一个a角度,往下扇动,扇动的两翅膀上方产生的真空区力大于重力。这时P合力就会分解为一个水平分力和一个垂直分力,如图五所示。
鸟类飞行的真实原理
P水平分力使鸟往左方飞行。P垂直分力分为三种情况:当等于重力时,鸟保持水平飞行,即合成后,鸟往左水平飞行;当大于重力时,鸟保持向上飞行,即合成后,鸟往左偏上方向飞行;当小于重力时,鸟保持向下飞行,即合成后,鸟往左下方向飞行。
3、向上飞:
当P合力大于鸟的重量,且方向垂直向上时。这时鸟类翅膀在空气中是往下扇动的,扇动的两翅膀上方产生的真空区力大于鸟的自身体重,且与重力重合,这样鸟就往上飞垂直飞行。
4、向后飞:
将a角度变为负值时,情况就与正值相反了,可参照上方自行分析。

综上,鸟的翅膀向下时,会在翅膀的上方产生一个空气扩散区,即真空区,并使翅膀产生一个向上的作用力,这个作用力的方向向上,能使鸟停留于空中或向上飞行,而不掉下来。鸟的翅膀方向与力度在空气中总是不停的变化,其产生的真空区力,也随着相应的变化,这就使得鸟类能够向前、向后、向上、向下或悬浮于空气中,作任意的三维运动。
真空区力是鸟类飞行的基本力,与之相应的还有补充力,即挤压区力,这里就不叙述了。
对于真空力的强大力量,大家可以在日常生活中见到。如水泵的进水管,水泵工作时,进水管中的最大真空可以提升水位高度为十米,也就是说,可以将人一个接一个的密集地叠高到十米高度,约一米六六的六个人。再如将一个十米透明的密闭玻璃管,竖直放起,在底部挖一小孔,水是流不出来的,因为空气在小孔处的压力为一个大气压,可以撑起水柱十米。所以在空气中提升鸟类到空中,是一件很简单的事。
来自v123456博客

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