学习鸟类飞行I

——了解鸟类翼翅基本结构

关于鸟类翅翼

      亚里士多德已经发现，没有翅膀的鸟不能飞。基于鸟类翅翼弯曲截面形状的翼升力和阻力性能的经验研究，对于载人飞行器研制初期具有重要的理论意义。

      奥托·利林塔尔是滑翔机之父，他也有着像鸟一样飞起来的梦想。这段描述生动展示了滑翔机之父的大胆尝试：1891年的夏天，在德国柏林城边上，有一个叫德尔维茨的村庄。一位40岁的工程师奥托·利林塔尔对飞行着了迷，此刻他一身运动员般的打扮——白色紧身短裤、棉布衬衫，浑身充满了力量。他站在山坡上，站在两个捆得很结实的机翼之间，奔跑起飞后，他的整个身子挂在滑翔机下面，前臂支撑着身子，利用身躯的摆动来保持滑翔机的稳定和平衡，第一次他仅仅飞行了15米。从1891年到1896年，他进行了3000次试验后，可以滑翔250米。奥托·利林塔尔用一次次滑翔试验验证了保持飞行静稳的基本原理与方法。不幸的是，一次试验他还是掉了下来，摔断了脖子。奥托·利林塔尔是令人尊敬的飞行器设计先驱。然而，在飞机动力飞行实现后，飞机机翼的设计不再以鸟翼的研究为基础。一代又一代可靠的飞机在二十世纪第一个十年迅速发展，这些飞机不再直接受到大自然鸟类的启发。

      借着学科组公众号平台，作者愿意以科普形式来共同学习鸟类的飞行技能。在飞行器设计技术蓬勃发展的今天，对鸟类飞行研究的成果可以帮助我们重新审视自然界飞行主宰们的超能力，人类依然可以一直向自然界学习。那么今天推出第一片段，关于鸟类翅翼。

鸟类的翅翼必须既强壮又轻盈

      强壮是因为它们必须要与空气有力的相互作用。轻盈是为了减少翅翼在拍动过程中不同阶段的惯性力。因此，翅翼的重要组成部分肌肉和骨骼一定是沿着翅翼尖端的方向逐渐变细和减少。

（不同的翅翼外形，作者手绘）

（小周同学拍摄）

      在大多数鸟类中，翅翼骨骼部分由肱骨、桡骨、尺骨和腕掌骨支撑（抱歉，骨骼结构图还没画）。由于骨骼和肌肉的特殊结构，鸟类翅翼的肘关节和腕关节同时伸展和弯曲。鸟类起飞前，翼翅会整整齐齐地贴靠在身体上。它们在飞行开始时伸展开来，在每次上拍时部分弯曲，并在向下拍打前重新完全伸展。肩关节结构允许整个翼翅上下、前后，以及后旋和前旋运动。通常，肱骨在水平平面上可以通过关节绕垂直轴进行前旋和后旋。当翅膀伸展时，肱骨可以上下移动，并绕其纵向轴旋转。向上运动的角度可大于90°，而向下的运动通常限制在35°以内，前旋的限制通常也会比后旋大得多。虽然飞行鸟类之间的尺寸可能不同，但移动翅膀的机制却惊人地趋于一致。

羽毛是飞起来的关键

      翼翅的形状仅仅是由内部解剖结构决定的，是羽毛使鸟飞起来的。

      不同种类和大小的羽毛被植入翅膀的肌肉皮肤中，并沿着明确的区域方向排列。翅膀上的大型飞行羽毛是飞羽，翅膀上被覆盖的羽毛被称为覆羽。下图为北方苍鹰的翼翅。

（此鹰翼背侧图由Herzog(1968)修改而成，作者照猫画虎手绘）

      轮廓羽毛覆盖苍鹰翅臂和手翼的前端部分，形成了圆形前缘。一排更大的覆羽覆盖在初级飞羽的根部位置，次级覆羽以同样的方式覆盖了次级飞羽的根部位置。在翼翅的前缘、背侧和腹侧，有一排排越来越小的边缘覆羽相互重叠，就像屋顶上的瓦片一样。对称的11个次级飞羽末端形成了翼臂的尖锐后缘。覆盖了羽毛的翅翼横截面的剖面具有圆形的前缘并且是高度弯曲的。前缘与飞机设计中使用的经典气动剖面形状相似，但是特殊的“S型”剖面与大多数人工机翼差异显著。

      研究翅膀功能的一个简单方法是取下翅膀的各个部分，然后研究剩余部分的飞行性能。曾经做过一个鸽子的飞行试验如下图，将鸽子的远端飞羽困扎在一起，但是没有去除，发现鸽子仍然可以持续飞行，且飞得又高又快。1996年，国外学者又做了类似试验，去除了麻雀所有的第二、三级飞羽和覆羽，只留下了翅膀上六个最远的初级飞羽。在无风情况下，麻雀的飞行的距离没有明显的影响。而当移除初级飞羽顶部16毫米或24毫米的距离时，平均飞行距离会急剧下降。这些实验告诉我们，鸟类在飞行的过程中，远端初级飞羽在产生升力和推力方面起着关键且唯一的重要作用。

（此图应最先来自Lilienthal’s（1189），作者手绘。这只鸽子的确比较可怜）

（小周同学拍摄）

     鸟类飞行还有一部分是肌肉的力量，具体说就是胸肌，鸟类为此还改变了骨骼结构，有龙骨突，可以长更为发达的肌肉。