天上的飞鸟,轻盈升空只需羽翼一扑,看掠过云端的客机,翼面始终平直伸展,全程不见挥动。同样是翱翔天际,两者的飞行姿势为啥差这么多?
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飞鸟腾空的关键,是主动发力。鸽子起身的样子,你留意过吗?它准备飞天时展开羽翼,用力向下扇,这个动作是把空气往自己的后下方推。根据牛顿第三定律,飞鸟对空气施加一个向下的力,空气反推飞鸟向上。托着鸟的身体向上的,是这股反作用力的一部分,也就是升力,拉着它往前的,是另一部分,即推力。鸟的身体早为翱翔量身定制:流线型体态减少空气阻力,中空的骨头既轻便又结实,格外强健的胸肌带动羽翼持续挥动,配上高效的呼吸系统,长途迁徙也不会轻易累着。鸟儿想飞时,原地扑腾几下羽翼就能离地,想去哪儿就去哪儿,机动性强得很。
飞机的飞天逻辑截然不同,走的是借力路线,借的是气流的推力。飞机的翼面不是平的,是上弯下平的形状。它在跑道上加速时,翼面的上下表面会同时有气流流过。上表面是弯曲的,气流得绕个弯才能通过,速度自然比下表面快。流体有个特点:速度快的地方压力小,速度慢的地方压力大。翼面下方的压力比上方大,这股压力差向上托举翼面,飞机由此获得升空的力量。它的动力来源并非翼面,是发动机,不管是涡扇发动机还是螺旋桨发动机,作用都是推着飞机往前跑,跑得越快,气流流过翼面的速度越快,升力就越大,升力够了,飞机就能离开地面了。
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飞机的机动性不足得承担一定代价。像飞鸟那样原地腾空,它做不到,必须在跑道上滑跑一段距离,攒够速度才能飞天,机身得用轻质又坚固的材料,比如铝合金或者复合材料,这么庞大的机体,根本扛不住翱翔时的压力。这些代价换来了它的优势:能载着几百人、几十吨货物飞几千公里,飞行过程中平稳又高效。
飞鸟挥翼这么灵活,人类为啥不直接模仿,造一款能挥动翼面的扑翼飞机?不是人类不想,是大型飞行器的刚需和扑翼设计的短板刚好撞上了。首先是重量关过不了,如今的民航客机动辄几百吨,这么重的翼面要反复挥动,翼面与机身的连接处,得扛住难以想象的受力,以当下的材料技术,还很难长期承受这种反复拉扯的力矩。其次是安全问题,来回挥动的翼面会让材料一直处于一会儿拉、一会儿压的交替应力中,比固定翼面承受的单向应力更容易疲劳断裂,飞一半翼面出问题,后果不堪设想。还有效率问题,挥翼会产生很大的空气阻力,根本飞不快,固定翼飞机在高空巡航时,只需要维持速度就能保持升力,能耗低多了。
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扑翼设计不是在所有场景都派不上用场。如今不少小型无人机,已经开始模仿飞鸟或昆虫的羽翼,那种用于植保的小无人机,低空悬停能像蜜蜂一样,还能在农田里灵活穿梭,比固定翼无人机更适配狭窄空间的作业需求。这也印证了,没有哪种设计更好,只有哪种设计更适合具体的需求。
飞行这件事,自然界和人类技术一直都在互相借鉴。鸟儿靠千万年进化找到最适合自己的方式,人类靠一次次试验摸透空气的规律,最后走出了不一样的路。你们平时见过特别的飞行器吗?比如会振翅的小无人机,或者造型奇怪的客机?评论区聊聊你见过的飞行狠活吧。
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