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蝴蝶飞起来笨笨的,怎么这么难抓?

时间:
2021年02月01日 |
作者:
Admin |
来源:
环球科学(huanqiukexue.com)

别看蝴蝶飞得不快,摇摇晃晃略显笨拙,但你若想伸手去捉住它们却并不容易,蝴蝶总是能够灵巧地逃走。

银洗贝母(Argynnis paphia) 图片来源:Wikipedia

编译丨周郅璨

编辑丨杨心舟

我们常常可以看到蝴蝶在阳光明媚的草地上翩翩起舞,它们优雅地拍打着翅膀,令人着迷。别看它们飞得不快,摇摇晃晃略显笨拙,但你若想伸手去捉住它们却并不容易,蝴蝶总是能够灵巧地逃走。蝴蝶究竟掌握了怎样特别的飞行方式,让它能反应迅速呢?

早在20世纪70年代,韦斯·福格(Weis Fogh)的标志性论文就首次描述了悬停式昆虫的拍翼飞行机制,此后这一机制被普遍视为昆虫空气动力学的重要部分。与其他悬停飞行的昆虫,如蜻蜓、蜜蜂等相比,蝴蝶看起来十分不同,甚至可以说它不像是会飞的动物。相对于它们娇小的体型来说,它们的翅膀异常的短且宽大,笨拙、低频地拍打翅膀让它们看上去更像是一位飞行新手。

福格的飞行机制提出已接近50年,但迄今为止,还鲜有对自由飞行的昆虫翅膀的定量空气动力学研究,对蝴蝶飞行机制的研究也寥寥无几,这使得人们大多认为蝴蝶翅膀在空气动力学方面效率低下。然而,瑞典隆德大学的研究团队近日在《英国皇家学会期刊·界面》(J. R. Soc. Interface)发表了一项研究,他们称事实与人们的印象恰恰相反,蝴蝶其实是使用了一种非常复杂且有效的拍翼方式,巧妙地利用了它们独特的翅膀。这有助于它们在躲避捕猎者时迅速起飞,且拥有很高的飞行效率。

实验中,研究人员在瑞典南部的野外捕捉了6只银洗贝母(Argynnis paphia),让它们在风洞实验室中自由飞行,并使用层析粒子图像测速仪和高速摄像机对蝴蝶的飞行过程进行了记录分析。研究表明,在它们上击和拍打翅膀的过程中,不仅仅是两个平面的相撞。当两翼撞击时,由于翅膀的灵活性,它们会有一个反向的弧度,形成一种“杯状”拍击,就像一个装满空气的口袋。在拍击过程的后期,空气会被挤压出来,形成一股向后的气流,推动蝴蝶向前飞行。

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而在下击翅膀时,蝴蝶能够运用气流支撑体重,使其在空中悬停,不至于跌落到地面。这种“杯状”的拍翼方式具有很高的效率,同时能够让蝴蝶快速起飞,并保持高度定向且持续的飞行。此外,蝴蝶的翅膀非常大,且具有较好的柔性,这也使得翼缘能够形成更封闭的结构,包含进更多的空气量,同时能够避免泄露。 

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蝴蝶飞行的空气动力学成像。图片来源: J. R. Soc. Interface.18: 20200854

隆德大学的生物学研究者佩尔·亨宁松(Per Henningsson)说:“这是一种优雅的飞行机制,比我们想象的要先进得多,它很吸引人。”该研究团队还将蝴蝶翅膀的形状和灵活性运用到了无人机上,他们研制的柔性机翼拍打式无人机,经过实验验证,与刚性机翼相比,拍击的有效冲量(+22%)和效率(+28%)都显著得到了提升。 

受生态和栖息地变化的影响,不同种类蝴蝶的翅膀形状有很大的区别。进一步探索这种形态变化与拍翼方式的联系,以及对拍翼性能的影响是很有必要的。未来该团队将把研究中发现的拍翼机制,进一步应用于无人机的机翼或水下无人机所用的推进系统设计中,通过实现“杯状”拍击来提高效率,从而缩短飞行或者潜行时间和航程。

参考链接:

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/01/210121132059.htm

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2020.0854

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