天上的飛鳥,輕盈升空只需羽翼一撲,看掠過云端的客機,翼面始終平直伸展,全程不見揮動。同樣是翱翔天際,兩者的飛行姿勢為啥差這么多?
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飛鳥騰空的關鍵,是主動發力。鴿子起身的樣子,你留意過嗎?它準備飛天時展開羽翼,用力向下扇,這個動作是把空氣往自己的后下方推。根據牛頓第三定律,飛鳥對空氣施加一個向下的力,空氣反推飛鳥向上。托著鳥的身體向上的,是這股反作用力的一部分,也就是升力,拉著它往前的,是另一部分,即推力。鳥的身體早為翱翔量身定制:流線型體態減少空氣阻力,中空的骨頭既輕便又結實,格外強健的胸肌帶動羽翼持續揮動,配上高效的呼吸系統,長途遷徙也不會輕易累著。鳥兒想飛時,原地撲騰幾下羽翼就能離地,想去哪兒就去哪兒,機動性強得很。
飛機的飛天邏輯截然不同,走的是借力路線,借的是氣流的推力。飛機的翼面不是平的,是上彎下平的形狀。它在跑道上加速時,翼面的上下表面會同時有氣流流過。上表面是彎曲的,氣流得繞個彎才能通過,速度自然比下表面快。流體有個特點:速度快的地方壓力小,速度慢的地方壓力大。翼面下方的壓力比上方大,這股壓力差向上托舉翼面,飛機由此獲得升空的力量。它的動力來源并非翼面,是發動機,不管是渦扇發動機還是螺旋槳發動機,作用都是推著飛機往前跑,跑得越快,氣流流過翼面的速度越快,升力就越大,升力夠了,飛機就能離開地面了。
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飛機的機動性不足得承擔一定代價。像飛鳥那樣原地騰空,它做不到,必須在跑道上滑跑一段距離,攢夠速度才能飛天,機身得用輕質又堅固的材料,比如鋁合金或者復合材料,這么龐大的機體,根本扛不住翱翔時的壓力。這些代價換來了它的優勢:能載著幾百人、幾十噸貨物飛幾千公里,飛行過程中平穩又高效。
飛鳥揮翼這么靈活,人類為啥不直接模仿,造一款能揮動翼面的撲翼飛機?不是人類不想,是大型飛行器的剛需和撲翼設計的短板剛好撞上了。首先是重量關過不了,如今的民航客機動輒幾百噸,這么重的翼面要反復揮動,翼面與機身的連接處,得扛住難以想象的受力,以當下的材料技術,還很難長期承受這種反復拉扯的力矩。其次是安全問題,來回揮動的翼面會讓材料一直處于一會兒拉、一會兒壓的交替應力中,比固定翼面承受的單向應力更容易疲勞斷裂,飛一半翼面出問題,后果不堪設想。還有效率問題,揮翼會產生很大的空氣阻力,根本飛不快,固定翼飛機在高空巡航時,只需要維持速度就能保持升力,能耗低多了。
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撲翼設計不是在所有場景都派不上用場。如今不少小型無人機,已經開始模仿飛鳥或昆蟲的羽翼,那種用于植保的小無人機,低空懸停能像蜜蜂一樣,還能在農田里靈活穿梭,比固定翼無人機更適配狹窄空間的作業需求。這也印證了,沒有哪種設計更好,只有哪種設計更適合具體的需求。
飛行這件事,自然界和人類技術一直都在互相借鑒。鳥兒靠千萬年進化找到最適合自己的方式,人類靠一次次試驗摸透空氣的規律,最后走出了不一樣的路。你們平時見過特別的飛行器嗎?比如會振翅的小無人機,或者造型奇怪的客機?評論區聊聊你見過的飛行狠活吧。
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