确实不能说是由于翅膀上下气压差造成的.传统的空气动力学只注意翼型在定常气流中的升力,它不能解释昆虫为什么能够通过扑翅获得足够的升力而浮于空中.
额,由于该问题本身的复杂性,貌似还没有全面和深入的结果,等到完整的振翅飞行的理论出来后买本书看看撒~
目前偶只知道非定常效应在昆虫飞行中起着重要作用.在那个振翅飞行的Clap－Fling机制提出后,已有实验结果大致上验证了理论上的解析解.虽然由于流体实验技术的发展,使得对由于昆虫振翅飞行所扰动而产生的流场的观察和测量更为细致,但那三维流场本身还是不好研究的.
蝴蝶滴我是不知道,不过果蝇滞留空中做上下飞行的“机制”已被找出来了.
简单点说,昆虫向下拍翅过程中,在翅的前缘将产生一个涡,被称为前缘涡.由于这个涡的存在,导致翅面的上方产生一个低压区,因而昆虫获得升力.
详细点说,一开始,科学家是借由一对机器苍蝇翅膀的协助,发现了昆虫翅膀会产生涡流.他们模仿果蝇翅翼做了一对25 cm长的翅翼,由6部马达推动,让它在黏性的矿油箱中模仿果蝇的飞行动作.当然科学家得考虑到果蝇的实际飞行状况,界定的方式就是让两者翅膀周围的流体惯性力和黏滞力的比值相同——当实物和模型的惯性力对黏滞力比值相同时,两者背后的物理意义也就相同.这个比值我们称为雷诺数.
当科学家将机器苍蝇的翅翼设定为盘旋的形态时,一个美丽的涡流在油箱中现身了：翅翼后边有一道强大的下冲气流,而沿着翅翼的根部一直到尖端,则出现一道横向侧流,在翅翼表面上方后端的2/3处流动,至于翅翼前缘,则出现一道以翅翼前缘为轴心的美丽涡流,带着果蝇升空.
果蝇飞行的相关问题:(摘自《科学之友》...)
⒈延缓失速:
对于飞机来说,机翼之所以能够产生上升力,是由于机翼与气流之间的切角促成拜努利效应的产生：当气流遇上机翼,它会在机翼前端一分为二,而在机翼尾端会合.由于机翼上方的表面路径较长,使得上方气流流速较下方气流快,造成上方压力较下方低,机翼受力抬升,整个飞机就上升了.但是当切角过大时,上方的气流无法沿着机翼表面行走,于是气流与机翼分离,造成上升失败,飞机失速下坠.
果蝇也很可能遇上同样的问题.果蝇是由上述的美丽涡流带着它升空,而要有涡流必须先挥动翅翼.但是果蝇的翅翼在拍动时会随着飞行的位置而有不同角度的翻转,于是翅翼前缘与空气的角度会不断变化,一旦切角过大,便会失速而下坠.但果蝇与飞机不同处在于,果蝇有“超高频拍击”的法宝.果蝇在快速翻转翅翼的同时,也产生了快速旋转的前缘涡流,这些涡流能支持果蝇继续上升,不至失速坠落.只是这些涡流附在翅翼上的时间很短,一产生出来便会立即消散,但是由于果蝇快速拍动的关系,在前一个涡流即将逝去的同时,下一个涡流也产生了.于是果蝇拍动翅膀时,总是有许多涡流像热气球一般支撑着它在上空盘旋.因此,这些美丽而实用的前缘涡流,便起了“延缓失速”的作用,让它安全度过每一个可能失速的难关.
⒉会“投”上抛球和下坠球:
打过棒垒球的人应该知道,投手可以借着棒球旋转方向的不同,投出变化球.如果棒球向后旋转抛掷而出,上方空气流动加快、压力降低,便能掷出上抛球.相反的,当棒球向前旋转,下方空气流动加快、压力降低,便产生下坠球.
之所以发现果蝇“会投变化球”,是因为研究人员利用电子仪器测量机器果蝇拍击“翅膀”时,发现这对翅翼在拍击的起始和结束瞬间,产生了强大的力,而这是无法以延缓失速解释清楚的.力量的极大值发生在翅翼拍击速度慢下来,并迅速转向反向拍击的瞬间,因此这个转向的动作必定大有文章.
如果果蝇翅翼反转的时机是在拍击动作之末,其产生的涡流逆于前进方向旋转,产生的效果就如同上抛球；若翅翼反转的时机迟至下一拍击开始时,其反转所造成的涡流顺于前进方向,便产生如同下坠球的效果.其实,平面翅翼与立体圆球的功用原本是不同的,但是翅翼可以借由旋转而制造出与圆球相当的机制,促使昆虫上升或下降.这个机制称为“旋转气流”.
⒊节约能源的尾波捕获:
果蝇也很有节约能源的概念.果蝇在拍击翅膀时,产生的能量会散逸至空气中,而这些散逸的能量果蝇却能够善加利用.
果蝇在每一次拍击时,都会扰动周围的空气,当这些扰动的空气散逸至尾部,称为尾波.尾波的结构复杂,而当翅翼在进行下一个动作时,便会穿过之前被扰动过的空气,如此两力相撞,产生的合力便形成另一个力度的高峰.因此尾波的能量不会平白散逸到空气中,而能够借着下一次拍击而再利用,称为尾波捕获.
即使尾波捕获的动作必须出现在每一次拍击开始时,果蝇仍然可以改变翅翼转动的时机来操控力的大小和方向.如果翅翼转向得早,那么翅翼与尾波撞击的角度就能产生一股强大的上升之力；倘若翅翼转向得晚,则两者撞击之后便产生下降之力.