昆虫飞行的高升力机理和能耗
昆虫飞行的力学研究_2
Robotic Fly Harvard大学制造的机器苍蝇，可以 实现电源外置的可控起飞和悬停
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二、昆虫是怎么飞起 来的？
问题1：支持昆虫在空中的力是怎么产生的？ （空气动力学） 问题2：为何能飞行地那么平稳？（飞行动力学）
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翅膀的运动（拍动）
真实翅膀拍动
模型翅膀拍动
类似于直升机旋翼桨叶或螺旋桨桨叶的转动；不同的只 是直升机桨叶总是向一个方向转动，而昆虫翅转动一定 角度后，就翻转过来，向相反方向转动，周而复始。
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昆虫飞行稳定性如何？
悬停平衡： 升力=重力
水平力=0
绕质心的力矩=0
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昆虫飞行的支配方程
运动方程
流动方程
飞行力学：小扰动线化的理论
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小扰动运动方程
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稳定性结果
四个特征值中，存在正的特征值 ——不稳定的模态（弱）
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纵向运动
纵向运动中的不稳定
M M u
u
不稳定振荡模态：向前运动伴随上仰运动，向 后运动伴随下俯运动----产生与转动方向相同的 力矩，不稳定。
活体昆虫的流动显示(Cambridge
Ellington Lab)
鹰蛾拍动翅上的前缘涡
前缘涡在平动过程中不脱落，高升力在这个阶段内得以保持 ——“不失速机制”（背负漩涡）
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从非定常流动的角度
利用模型进行气动力的测量(Dickinson
Michael H. Dickinson, et al. Science 1999 模型果蝇翅的气动力测量
Lab)
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从非定常流动的角度
气动力的测量结果
“转动环量”机制
“尾迹捕获”机制
蜻蜓飞行原理
蜻蜓飞行原理蜻蜓，是一种古老而神秘的昆虫，它以其独特的飞行方式而闻名于世。
蜻蜓飞行的原理一直是人们感兴趣的话题之一。
蜻蜓的飞行方式与其他昆虫有很大的不同，它们能够在空中停顿、急速飞行，甚至能够做出各种高难度的飞行动作。
那么，蜻蜓是如何实现这些惊人的飞行技能的呢？首先，我们来看一下蜻蜓的翅膀。
蜻蜓的翅膀呈现出透明、薄而且脆弱的特点，但它们却能够承受高速飞行时所受到的巨大气动力。
这得益于蜻蜓翅膀的特殊结构。
蜻蜓的翅膀由许多纤维状的结构组成，这些纤维能够使翅膀保持坚韧和强度，同时又能够保持翅膀的轻盈和灵活。
此外，蜻蜓的翅膀还能够快速地做出振动，这种高频率的振动能够产生足够的升力，使得蜻蜓得以在空中飞行。
其次，我们来分析一下蜻蜓飞行时的姿势。
蜻蜓在飞行时，通常会保持身体笔直，翅膀则做出快速的上下振动。
这种姿势能够使得蜻蜓在空气中产生更大的升力，同时也能够减小阻力，使得蜻蜓能够更加高效地飞行。
此外，蜻蜓还会利用身体的柔韧性和翅膀的灵活性，做出各种高难度的飞行动作，如急速转弯、悬停等。
这些动作都需要蜻蜓对自身飞行原理的精准把握和灵活运用。
最后，我们来探讨一下蜻蜓飞行的气动原理。
蜻蜓在飞行时，能够灵活地利用空气的流动，使得自身能够产生足够的升力。
蜻蜓的翅膀在振动时，能够产生气流，这些气流能够使得空气的压力分布产生变化，从而产生升力。
此外，蜻蜓还能够利用空气的粘滞性，使得空气在翅膀表面形成较大的涡流，从而增加升力和稳定性。
这些气动原理的灵活运用，使得蜻蜓能够在空中自如飞行。
综上所述，蜻蜓的飞行原理是一门复杂而又神秘的学问。
蜻蜓能够通过独特的翅膀结构、飞行姿势和气动原理，实现在空中高速飞行、急速转弯和悬停等惊人的飞行技能。
对蜻蜓飞行原理的深入研究，不仅有助于我们更好地了解这些神奇的昆虫，也能够为人类的飞行技术提供一些启示和借鉴。
希望通过我们的努力，能够更好地揭开蜻蜓飞行原理的神秘面纱。
昆虫飞行机理及其在实际应用中的仿生学设计
昆虫飞行机理及其在实际应用中的仿生学设计几千年来，昆虫一直以它们独特的飞行能力令人着迷。
在天空中舞动的昆虫们似乎轻盈自如，能够以惊人的敏捷度和稳定性飞行。
这引起了科学家们的兴趣，他们开始研究昆虫的飞行机理，以及如何将其应用于实际仿生学设计中。
昆虫的飞行机理包含了多个方面，其中一个关键的因素是翅膀结构和翅膀运动。
昆虫的翅膀通常由薄而坚韧的膜状结构组成，能够快速摆动。
这种翅膀结构使得昆虫能够产生足够的升力来支撑它们的体重，并且以高频率进行翅膀摆动，产生足够的推力来推动昆虫向前飞行。
为了实现更好的飞行性能，科学家们通过仿生学设计，尝试将昆虫的飞行机理应用到航空工程中。
其中一个成功的实例就是微型飞行器，如无人机。
无人机的设计灵感来源于昆虫的飞行能力，尤其是它们的机动性和操控能力。
无人机采用了类似昆虫翅膀的结构，能够通过快速的翅膀摆动产生升力和推力。
这些特性使得无人机能够在狭小的空间中灵活操作，执行各种任务，如监测、搜索和救援等。
除了航空工程，昆虫的飞行机理也被运用到了水下机器人的设计中。
水下机器人通常需要具备高度敏捷的操控能力，以应对复杂的水下环境。
昆虫的飞行机理启发了科学家们设计出一种新型的水下机器人，它模仿了昆虫翅膀的结构和摆动方式。
这些仿生学设计的水下机器人可以通过快速翅膀摆动来产生水下推进力，从而实现高速操控和机动性。
除了航空和水下领域，昆虫的飞行机理还被应用到了其他领域，如医疗工程和物流。
医疗工程中的飞行仿生学设计主要是通过昆虫的飞行机理，开发新型的微纳米机器人。
这些微纳米机器人可以在人体内部进行精确的药物输送和手术操作，以提高治疗效果和减少手术创伤。
物流领域的仿生学设计则主要是针对货物的快速运输和分拣。
通过模仿昆虫的飞行机理，设计出一种新型的无人机，能够在狭小空间中进行货物的运输和分拣，提高物流效率。
昆虫飞行机理的实际应用还不止于此，科学家们正在不断探索更多的领域。
例如，一些研究人员尝试将昆虫的飞行机理应用到太阳能飞船的设计中。
昆虫和鸟类的飞行机理
昆虫和鸟类的飞行机理昆虫是世界上出现最早的、数量最多的和体积最小的飞行者。
目前，地球上的昆虫有 75 万种之多，鸟类有 8 千余种。
这些动物的飞行特点和技巧各有不同，但无一例外地都采用了扑翼飞行方式。
昆虫和鸟类的扑翼飞行方式运动复杂，其机理尚未被人们完全认识和掌握。
动物翅膀运动的雷诺数（Re）都很小，一般在10～10,000 之间。
实验结果表明，在定常气流中的动物翅膀将不能产生足够的升力供昆虫和鸟类飞行之用。
显然，动物是利用非定常气流来产生高升力的。
长期以来，生物学家和工程学家对昆虫和鸟类产生高升力的机理十分感兴趣。
近年来出现的微型飞行器（MAV，Micro Air/Aerial Vehicle）有力地推动了昆虫和鸟类飞行中的流体力学问题的研究。
当鸟类在空中展翅滑翔时，其飞行原理与已有的固定翼飞机的相同。
除此之外，扑翼飞行方式的空气动力学特性要比常规的固定翼飞机的和直升机的复杂的多。
通过高速摄像机的帮助，人们观察到鸟类和昆虫的翅膀在往复扇动和拍打过程中，除了单纯的扇动之外，还伴随有相应的扭曲变形和旋转等运动类型。
人类尚未采用的这些运动类型对鸟类和昆虫产生升力和作机动飞行是举足轻重的。
为了揭示扑翼飞行奥妙，人们提出了非定常气流理论，希望能够解释翅膀扇动及转动产生升力的原因。
理论和实验结果表明，目前非定常气流理论尚不能够对扑翼飞行机理做出全面的解释。
昆虫和鸟类靠拍动翅膀来飞行。
翅膀近似在一个平面内拍动，该平面称为拍动平面。
这与直升机桨叶的旋转平面是相似的。
直升机的桨叶是绕固定方向旋转，而昆虫是作往复式旋转。
动物翅膀的拍动范围是用拍动角来衡量的，大多数动物的翅膀拍动角约为120度。
当悬停飞行时，拍动平面几乎是水平的。
当翅膀向前拍动时，翼弦与拍动平面有一定的夹角（即攻角），从而产生升力；当翅膀向后拍动时，翅膀翻转过来，原来向前拍动时的下翼面变成了向后拍动时的上翼面，同样具有一定的攻角并产生升力。
一个拍动周期中的平均气动力是垂直向上的。
蜻蜓飞行原理
蜻蜓飞行原理
蜻蜓是一种昆虫，它们的飞行原理基于翅膀的快速振动。
蜻蜓的翅膀由透明的薄膜组成，呈现出非常复杂的纹理。
当蜻蜓需要飞行时，它会迅速地振动翅膀，这种振动产生了空气动力学效应，使蜻蜓能够在空中滑行。
具体来说，蜻蜓的翅膀振动产生了一股向下的气流，这推动了空气中的空气颗粒形成涡流。
根据伯努利原理，当气流通过蜻蜓翅膀上的凹凸结构时，气流速度增加，而气压降低。
这种气流的变化产生了向上的升力，使蜻蜓能够在空中飞行。
此外，蜻蜓的翅膀还能够根据需要进行角度调整，增加飞行的稳定性和机动性。
它们可以灵活地改变翅膀的角度和形状，以适应不同的飞行需求。
蜻蜓的飞行速度非常快，每秒钟可以振动翅膀数十次甚至上百次。
这种高频率的翅膀振动使蜻蜓能够产生快速的推力，从而实现迅速的加速和机动飞行。
总结起来，蜻蜓的飞行原理主要是通过翅膀的快速振动产生的升力和推力来实现的。
翅膀的特殊结构和振动方式使蜻蜓能够在空中灵活自如地飞行。
昆虫飞行机制与空气动力学特点
昆虫飞行机制与空气动力学特点昆虫是地球上最为成功的飞行动物之一，它们拥有独特的飞行机制和卓越的空气动力学特点。
在这篇文章中，我将探讨昆虫飞行的机制和空气动力学特点。
一、昆虫飞行机制昆虫的飞行机制主要依赖于其独特的翅膀结构和飞行肌肉的协同作用。
昆虫的前翅通常较为坚硬，称为鞘翅，而后翅则较为柔软，能够产生飞行所需的升力。
昆虫的飞行肌肉位于胸部，通过收缩和放松来驱动翅膀的运动。
昆虫飞行的步骤可以简单分为以下几个阶段：1. 起飞：昆虫通过推动飞行肌肉，使翅膀产生往复摆动的运动，从而产生足够的升力将自身抬离地面。
2. 振翅：在空中飞行时，昆虫不断振动翅膀，产生持续的升力，同时也能够调节飞行速度和方向。
3. 操纵：昆虫通过改变翅膀的角度和摆动幅度来操纵飞行方向和姿态。
4. 降落：通过减小飞行肌肉的活动和调整翅膀位置，昆虫能够平稳地降落到地面。
二、昆虫飞行的空气动力学特点1. 升力产生：昆虫通过翅膀的上下摆动产生气流，使气流在翅膀的上表面流速增加，下表面流速减小，从而形成气流上的压力差，产生升力。
此外，昆虫的翅膀表面常常具有微小的刺毛或鳞片，能够进一步增加升力。
2. 阻力减小：昆虫通常具有流线型的身体和翅膀，减少空气阻力。
此外，昆虫翅膀的振动频率较高，使流动维持在层流状态，降低湍流阻力。
3. 操纵灵活：昆虫通过改变翅膀的角度和摆动幅度，能够快速精确地调整飞行方向和姿态。
昆虫的翅膀还可以进行非对称摆动，使得其具备较高的机动性和灵活性。
4. 稳定性：昆虫在飞行时通过调整翅膀的摆动幅度和频率，使得飞行更加稳定。
此外，昆虫翅膀的柔软特性也有助于稳定飞行。
总结：昆虫飞行机制与空气动力学特点密不可分。
昆虫通过翅膀的振动产生升力和动力，利用空气动力学原理的基础上进行自如的操纵和调整。
了解昆虫飞行机制和空气动力学特点不仅有助于揭示昆虫的生物学奥秘，也为人类设计更高效、更稳定的飞行器提供了启示。
为什么昆虫可以在空中飞行它们的翅膀是如何工作的
为什么昆虫可以在空中飞行它们的翅膀是如何工作的伴随着越来越多的研究，旁观者可能会以科学的方式理解昆虫的飞行，即为什么它们的翅膀可以让它们在空中停留。
下面是如何实现昆虫飞行的几个原因。
1.膜结构：膜结构是昆虫飞行的关键，它是由若干部分组成，其中大部分是由气敏元件组成。
这些气敏元由可塑料材料制成，它们可以灵活地响应空气中的气流变化，从而li达到调节控制空气动力学参数的目的。
昆虫翅膀中膜结构耐用可靠，又轻，不易损坏，因此对飞行提供了巨大的支持。
2.空气簧：空气簧是昆虫飞行的另一个关键因素，空气簧是由一个可伸缩薄膜组成的弹性物体。
昆虫翅膀中的空气簧能够充当支撑物，由空气簧驱动膜片开口和收缩，把空气流动量转换为动能，从而使昆虫可以得以飞翔。
3.改变运动机制：此外，昆虫的飞行活动另一关键是运动机制的变化。
昆虫翅膀的振动频率很快，可以达到6000每分钟，这个频率超出了人类的细胞膜的穿透频率，从而使昆虫可以轻松得以在空中飞行。
此外，昆虫的运动机制也有助于增加它们的飞行效率，通过精确控制和调整飞行路线，实现更大的飞行范围。
4.具有适应性：最后，昆虫翅膀还具有适应性，昆虫通过它们的翅膀结构可以适应不同的环境条件，从而达到更高的飞行效率。
（例如，当旋翼的淬火和夹具被附着在家用旋翼上时，会影响旋翼空气动力性能）。
同时，昆虫还可以根据不同的外部环境（如大风）作出相应的调整，有效地改变飞行方向，进而获得更稳定的飞行效果。
总之，昆虫的翅膀可以通过膜结构和空气簧的调节，可以改变运动机制，还具有更强的适应性，从而实现在空中飞行的功能，这些原因合起来构成了昆虫飞行的根本原理。
昆虫飞行机制
昆虫飞行机制昆虫是地球上最为丰富多样的生物群体之一，它们以其独特的飞行机制而闻名于世。
本文将探讨昆虫飞行的机制及其在航空工程中的应用。
1. 昆虫飞行机制的基本原理昆虫飞行的基本原理可以归结为以下两个方面：翅膀构造与翅膀运动。
1.1 翅膀构造昆虫的翅膀具有轻盈、坚固和灵活的特点。
它们通常由薄而透明的薄膜和复杂的脉络组成。
这种翅膀结构使得昆虫能够在空气中产生足够的升力，从而实现飞行。
1.2 翅膀运动昆虫的翅膀通过一系列复杂的运动来产生驱动力和升力。
这些运动包括上下运动、前后摆动、扇动等。
昆虫通过频繁而协调的翅膀运动来产生推力，并利用气动力原理来控制飞行方向和高度。
2. 昆虫飞行机制的应用昆虫飞行机制的独特之处在于其高效性和适应性，这为航空工程领域提供了许多启示和借鉴。
2.1 高效飞行昆虫的飞行机制具有高度的效率，其翅膀在单位时间内能够产生大量的升力。
这种高效飞行机制可以应用于航空工程中，优化飞行器的设计和提高其性能。
2.2 灵活机动昆虫的飞行机制允许它们在狭小的空间中灵活机动，如窄小的森林间、灌木丛内等。
借鉴昆虫的机动性，航空工程师可以设计出更加灵活的飞行器，以适应各种特殊环境和任务需求。
2.3 自稳定性昆虫飞行具有一定的自稳定性，使得它们能够在飞行中自动保持平衡和稳定。
在航空工程中，这个特点可以应用于自主飞行器的设计，提高其稳定性和控制性能。
3. 昆虫飞行机制的研究进展对昆虫飞行机制的研究一直是生物学和航空工程领域的重要研究方向。
近年来，随着科技的发展，研究人员通过仿生学的方法成功地将昆虫飞行机制应用于航空工程领域。
3.1 仿生飞行器基于昆虫飞行机制的仿生飞行器已经出现。
这些仿生飞行器模仿昆虫的翅膀结构和运动方式，以实现高效的飞行性能。
这些飞行器不仅在军事领域有应用前景，还可以用于环境监测、救援等领域。
3.2 生物力学研究生物力学是研究生物的运动和力学原理的学科。
昆虫飞行机制的研究借助生物力学分析方法，不仅有助于深入理解昆虫的飞行机理，还能为航空工程的设计和性能优化提供理论指导。
昆虫的飞行力学昆虫的飞行机制和飞行能力的研究
昆虫的飞行力学昆虫的飞行机制和飞行能力的研究昆虫的飞行力学昆虫是地球上最成功的生物之一，它们在飞行方面展现了令人惊叹的能力。
昆虫的飞行机制和飞行能力一直是科学家们的研究重点。
本文将介绍昆虫飞行力学的研究，探讨昆虫的飞行机制和其在工程设计中的应用。
一、昆虫的飞行机制1. 翅膀结构昆虫的翅膀是其飞行的主要器官。
翅膀由薄而坚硬的外壳覆盖，内部则由与鸟类的羽毛不同的膜翅组成。
膜翅上布满了细小的静脉，这些静脉起到了加强翅膀的结构并保持其形状的作用。
2. 翅肌的调节昆虫的胸部上有一对强有力的肌肉，称为翅肌。
翅肌通过不同的收缩和放松来控制翅膀的运动。
这种精确而高效的肌肉控制使得昆虫可以根据需要调整翅膀的频率、幅度和相位。
3. 空气动力学昆虫的飞行受到空气动力学原理的支配。
研究表明，昆虫的翅膀在下颤翅飞行时产生的上扬和向前方推力是产生升力的主要原因。
昆虫通过改变翅膀的运动方式和翅膀形状来实现对升力和阻力的控制。
二、昆虫的飞行能力1. 短途飞行昆虫中有许多种类适应于短途飞行，如蜜蜂、蝴蝶等。
它们通常以花粉或花蜜为食物，并在花朵间短距离飞行。
这些昆虫的飞行速度相对较慢，飞行姿态相对较稳定。
2. 长途迁徙另一些昆虫则展示了惊人的长途迁徙能力，如蚂蚁、螽斯等。
它们能够持续飞行数小时或数天，覆盖数十甚至数百公里的距离。
这些昆虫通常以觅食或繁殖为目的进行长途迁徙。
三、昆虫飞行力学在工程设计中的应用昆虫的飞行机制和能力对工程设计具有重要的启示。
以下是一些应用领域：1. 空飞器设计受到昆虫的飞行机制启发，科学家们尝试设计出更加高效和稳定的空飞器。
例如，研究人员通过模仿蜻蜓的飞行方式，设计出了具有优秀悬停和机动性能的微型无人机。
2. 生物医学工程昆虫的飞行机制对生物医学工程领域也有潜在的应用。
例如，通过研究蚊子的飞行机制，可以改进昆虫仿生机器人在狭小环境中的操控能力，从而应用于微创手术等领域。
3. 轻巧材料设计昆虫的翅膀结构和飞行力学为轻巧材料的设计提供了灵感。
昆虫记试题昆虫的飞行原理是什么
昆虫记试题昆虫的飞行原理是什么昆虫记试题昆虫的飞行原理是什么昆虫是地球上最成功的飞行动物之一，它们以其独特的飞行特性而闻名于世。
那么，昆虫的飞行原理是什么呢？本文将对昆虫的飞行机制进行探讨。
一、翅膀的结构昆虫的翅膀是实现飞行的关键。
它们通常由薄而坚韧的外骨骼构成，覆盖着轻而灵活的膜状组织。
通过这种结构，昆虫可以在空气中产生足够的升力。
二、振翅的运动昆虫的飞行是通过快速振动翅膀来实现的。
这种振翅运动使得空气在翅膀上方产生较低气压，而在翅膀下方产生较高气压，从而形成升力。
昆虫振翅的频率和幅度根据不同种类而有所差异，但都遵循一定的节奏。
三、航行与机动性昆虫的翅膀振动产生的升力使其能够在空中保持飞行姿态。
同时，通过调节翅膀的角度和形状，昆虫可以进行前进、后退、转弯和滚翻等各种机动动作。
这使它们能够在狭小的空间中自由飞行，并在繁殖、觅食和逃避捕食者等方面具有高度的灵活性。
四、飞行节能昆虫的飞行具有极高的能量效率。
这得益于昆虫独特的飞行机制。
首先，振翅飞行相对于转翅飞行更为节能，因为后者需要产生较大的气流才能提供升力，消耗更多能量。
其次，昆虫翅膀的结构和动作精确地适应了空气的流动特性，使其在相同速度下产生更多升力，减少了能量消耗。
此外，昆虫还利用空气动力学的原理，如气流的再利用，以降低能量损失。
五、进一步研究及应用对昆虫飞行原理的研究不仅对生物学领域具有重要意义，还对工程学和航空学等领域的发展产生了深远影响。
人们可以借鉴昆虫的飞行机制，设计出更为高效的微型飞行器，应用于勘探、救援和监测等领域。
此外，通过深入了解昆虫飞行原理，人们可以更好地保护生态环境，为生物多样性的保护和可持续发展做出贡献。
综上所述，昆虫的飞行原理主要包括翅膀的结构、振翅的运动、航行与机动性以及飞行节能等方面。
对昆虫飞行机制的深入研究有助于推动科学技术的发展，并为人类创造更多的创新应用和解决方案。
神奇的飞行世界科普鸟类和昆虫的飞行原理
神奇的飞行世界科普鸟类和昆虫的飞行原理神奇的飞行世界：科普鸟类和昆虫的飞行原理飞行，一直是人类奋力追逐的梦想。
而在大自然中，鸟类和昆虫已经掌握了这门绝技。
它们以轻盈的身躯翱翔于天空，展现了令人叹为观止的飞行能力。
那么，鸟类和昆虫的飞行究竟是如何实现的呢？本文将为您科普鸟类和昆虫的飞行原理。
一、鸟类的飞行原理鸟类的飞行机理主要依靠翅膀和飞羽的协同作用。
它们将翅膀作为主要的推力和支撑装置，通过翅膀的摆动和改变形状来实现飞行。
1. 翅膀的摆动鸟类的翅膀摆动是实现飞行的关键。
当鸟类展开翅膀时，膨胀的羽毛形成了一个大面积的气动表面，利用空气动力学的原理产生推力。
翅膀在下摆时将鸟体抬升，上摆时提供推力，形成了空气动力学上的“升力”。
2. 飞羽的改变形状鸟类飞行时，通过改变飞羽的形状来调整升力和阻力。
翼尖的飞羽相对较长而窄，在飞行中产生较大的升力，而翼根处的飞羽相对较宽，增加了稳定性。
此外，鸟类还可以通过调整羽毛的角度和间距来控制气流，实现飞行的稳定和机动。
二、昆虫的飞行原理昆虫的飞行原理与鸟类有所不同，它们主要借助翅膀的快速振动以及对空气动力学的精确控制实现飞行。
1. 快速振动的翅膀昆虫的独特之处在于其翅膀的快速振动。
这种高频率的翅膀振动使得昆虫能够产生足够的升力。
与鸟类不同，昆虫的翅膀是由薄而膜状的物质构成，这种结构能够在翅膀振动时快速弯曲与扭转，进一步增加了升力的效率。
2. 对空气动力学的精确控制昆虫飞行还依靠对空气动力学的精确控制。
昆虫可以通过调整翅膀的摆动幅度和频率来实现前进、高度和方向的控制。
它们还可以在翅膀的不同部位调整角度，以改变升力和阻力的分布，从而灵活地完成各种飞行动作。
三、飞行中的气流现象在鸟类和昆虫的飞行过程中，会产生一些有趣的气流现象。
1. 气流延迟现象当鸟类或昆虫挥动翅膀时，翅膀的上表面和下表面所受到的气流影响是不一样的。
翅膀上表面的气流速度更快，压力更低，而下表面相反。
这种差异会使得气流在翅膀上形成延迟的现象，从而产生一个向上的升力。
昆虫的扑翼轨迹及高升力机理
昆虫的扑翼轨迹及高升力机理昆虫的扑翼轨迹及高升力机理是一个比较复杂的现象，它不仅包括昆虫的飞行动作，而且包括它们的物理结构、动力学和生物力学等诸多方面。
目前研究发现，昆虫的飞行使用的是扑翼或弹翼机制，其中的主要原理包括：翅膀的上下摆动、改变翼型、利用翼型角度来形成升力以及利用空气动力学原理来实现升力。
昆虫在飞行时，翅膀会快速上下摆动，这就是扑翼机制。
当翅膀向下摆动时，它们会减小空气压力，使得空气流经翅膀，产生拉力，从而抬升昆虫。
翅膀向上摆动时，则会增大空气压力，这样空气就会逃离翅膀，产生推力，使昆虫向前推进。
这种运动机制的特点是昆虫的速度和升力都比较低，因此它们的飞行轨迹略显曲折。
昆虫的翼型也对它们的飞行有很大的影响。
昆虫的翼型多么多，如斜刃翼、双翼、三翼等，它们的翼型有利于改变空气的流动方向，以产生拉力和推力，从而带来升力。
另外，昆虫还可以利用翼型角度来改变空气流动方向，使得昆虫能够有效地利用空气动力学原理来获得升力。
另外，昆虫的物理结构也会影响它们的飞行性能。
昆虫的翅膀结构较为复杂，其边缘状如“V”字型。
这种结构有利于把空气流分割为两个独立的流动，从而提高昆虫的升力效率，同时也有利于把空气流折合，使得昆虫具有较好的操纵性。
另外，昆虫的翅膀还具有自然抗扰力，从而抵抗外界干扰，提高飞行稳定性。
总之，昆虫的扑翼轨迹及高升力机理是一个复杂的现象，它主要包括昆虫的物理结构、动力学和生物力学等诸多方面。
它们的飞行使用的是扑翼或弹翼机制，其中的主要原理包括：翅膀的上下摆动、改变翼型、利用翼型角度来形成升力以及利用空气动力学原理来实现升力。
此外，昆虫还可以利用物理结构来提高它们的飞行性能。
蜻蜓飞行的原理
蜻蜓飞行的原理
蜻蜓是一种昆虫，它们以其灵活的飞行方式而闻名。
蜻蜓的飞行原理与其他昆虫有些不同。
首先，蜻蜓的身体结构对其飞行起着重要作用。
蜻蜓的身体分为三个部分：头部、胸部和腹部。
头部有两只复眼和一对触角，用于感知周围的环境。
胸部是飞行的主要部分，有两对独立运动的翅膀。
腹部则包含了消化和生殖器官。
蜻蜓的飞行主要依赖于翅膀的运动。
蜻蜓的前一对翅膀和后一对翅膀可以独立地上下摆动。
这种独立运动的翅膀可以帮助蜻蜓产生非常高的升力。
当蜻蜓飞行时，它会同时挥动前一对和后一对翅膀。
前一对翅膀向上挥动时，背部的空气压力减小，同时下方的气压增大，从而产生了向上的升力。
而后一对翅膀向下挥动时，上方的空气压力减小，同时蜻蜓的身体倾斜，使得向下的升力产生。
此外，蜻蜓的翅膀运动非常迅速，每秒钟可以挥动达到30到
60次。
这种高速的挥动可以为蜻蜓提供足够的升力，使其能
够飞行在空中。
另外，蜻蜓的身体结构也对飞行起着重要作用。
它们的身体非常轻盈，以减少阻力。
同时，它们的翅膀也非常坚固，可以承受高频率的挥动。
综上所述，蜻蜓的飞行原理是通过独立运动的翅膀产生升力，
并利用快速的翅膀挥动和轻盈的身体结构进行飞行。
这种飞行方式使得蜻蜓能够在空中自由地飞行和捕食。
昆虫的飞行原理与动力学
昆虫的飞行原理与动力学飞行对于人类来说是一种奇妙而神秘的行为。
我们可以乘坐飞机环游世界，但是对于小小的昆虫来说，它们却能自如地在空中飞翔。
那么，昆虫是如何实现飞行的呢？这其中的原理和动力学如何解释呢？昆虫的飞行原理可以归纳为两种：蠕动和打蜘蛛网。
蠕动是指昆虫通过摆动身体来产生空气动力，从而推动身体向前飞行。
虫体上的细节结构，例如扇状翅膀或附着在身体上的翅膀，都可以用于创造升力。
而打蜘蛛网则是指昆虫利用蜘蛛网等天然结构来进行飞行。
这种飞行方式类似于滑翔，昆虫只需要在合适的高度和角度上滑翔即可。
例如，一些昆虫在蜘蛛网上嬉戏，通过网的弹性来获得飞行的动力。
在蠕动飞行中，昆虫通过收缩和伸展肌肉来产生飞行所需要的力量。
这个过程类似于人类的划水运动。
当昆虫伸展翅膀时，它们通过肌肉的运动产生向下的力量，从而将身体向上推进。
而在翅膀的收缩阶段，昆虫利用空气动力将身体向前推进。
通过这样的反复动作，昆虫能够在空中自由地飞翔。
昆虫的翅膀结构也对其飞行能力起到了决定性的作用。
翅膀通常是轻而柔软的，由薄翅膜和坚硬的翅脉组成。
这种结构不仅能够保持昆虫的轻巧性，还可以保持翅膀的强度和稳定性。
同时，翅脉还可以实现翅膜的收缩和伸展，从而实现昆虫飞行的动力。
在打蜘蛛网飞行中，昆虫利用蜘蛛网的弹性来产生飞行的动力。
当昆虫在蜘蛛网上移动时，它们可以通过改变身体的姿势和角度来控制飞行速度和方向。
这种飞行方式对于昆虫来说非常省力，因为它们只需要利用蜘蛛网的弹性即可获得动力，而无需耗费过多的能量。
飞行对昆虫来说不仅是一种运动方式，还具有很多其他的功能。
例如，昆虫通过飞行可以寻找食物、繁殖和逃避天敌。
而对于一些昆虫来说，飞行还可以用于迁徙。
有些昆虫会利用风力来进行长距离的迁徙，这是因为它们能够感知风的方向和强度，并相应地调整飞行的角度和高度。
总之，昆虫的飞行原理和动力学是一门复杂而奇妙的科学。
通过摆动身体和利用蜘蛛网的弹性，昆虫能够在空中自如地飞翔。
蜜蜂的飞行工作原理
蜜蜂的飞行工作原理蜜蜂是我们熟知的昆虫中的一种，它们非常勤奋，一直被赞颂为劳动模范。
蜜蜂的飞行工作原理是如何的呢？下面将详细介绍并列出几个要点。
一、蜜蜂的翅膀结构蜜蜂的翅膀呈透明薄膜状，由许多脉络组成。
这种特殊的翅膀结构使得蜜蜂能够在空气中产生扑扑翅膀的声音和强大的飞行动力。
二、蜜蜂的飞行肌肉蜜蜂的飞行肌肉非常发达，这使得它们能够以较高的频率和速度扑动翅膀。
蜜蜂的翅膀每分钟可以扇动约200次，这就为它们提供了强大的升力和推力，使其能够轻松地飞行。
三、蜜蜂的升力和推力蜜蜂通过扑动翅膀产生升力和推力，从而能够在空中飞行。
当蜜蜂扑动翅膀时，翅膀向下方施加力量，产生升力；而当蜜蜂抬起翅膀时，空气对翅膀产生阻力，这就产生了推力。
通过这种方式，蜜蜂能够保持在空中飞行。
四、蜜蜂的飞行方式蜜蜂的飞行方式是振动式飞行，也被称为短程振翅飞行。
振动式飞行是指蜜蜂以极高的频率振动翅膀，从而产生较强的升力和推力。
这种飞行方式使得蜜蜂能够在有限的空间内进行灵活的飞行，如躲避障碍物、寻找花朵等。
五、蜜蜂的飞行速度和航线蜜蜂的飞行速度较快，一般在每小时20公里左右。
蜜蜂的航线往往是直线型，也就是说它们很少进行盘旋或曲线飞行。
这种直线型的航线有助于蜜蜂将花粉和蜜蜜及时准确地带回蜂巢。
六、蜜蜂的飞行感知蜜蜂的眼睛分为复眼和单眼。
复眼可以感知颜色、形状和运动，这使得蜜蜂能够识别花朵的颜色和形状，并迅速找到花朵。
而单眼则可以感知光的强度和方向，使蜜蜂能够正确判断太阳的位置，以便进行导航。
七、蜜蜂的飞行技巧蜜蜂在飞行过程中还具备一些独特的飞行技巧。
例如，它们可以扇动翅膀制造气流，以驱赶敌人；可以通过快速振动翅膀制造热量，以使花朵释放更多的香味，吸引更多的蜜蜂。
这些技巧使蜜蜂在飞行中更加灵活和高效。
八、蜜蜂对生态的意义蜜蜂不仅是重要的花粉传播者和蜜源提供者，同时也是生态系统的重要组成部分。
蜜蜂的飞行工作不仅促进了植物的繁衍和种间的交流，还对维持生态平衡起着重要作用。
昆虫的飞行与飞行机制
昆虫的飞行与飞行机制昆虫是地球上最为成功的生物之一，其独特的飞行能力引人注目。
本文将探讨昆虫的飞行方式以及飞行机制，并解释其在科学和工程领域的应用。
一、昆虫飞行的基本方式及特点昆虫的飞行方式主要有翅膀的飞行和翅鞘的飞行两种。
翅膀的飞行是指昆虫通过翅膀的上下摆动来产生升力和推进力的飞行方式，包括腿部起飞、腿部着陆和直接从空中起飞三种模式。
翅鞘的飞行是指昆虫通过前翅和后翅之间的膜状结构实现飞行的方式，如蜻蜓和蝴蝶。
昆虫飞行的独特特点之一是细小而高效的翼肌系统。
昆虫的翅膀由一系列的肌肉和神经系统控制，可以实现高频率、高振幅的翅膀摆动。
此外，昆虫的翅膀具有较高的结构强度和柔韧度，以适应快速的飞行动作和各种飞行条件。
二、昆虫飞行的机制解析1. 翅膀的摆动机制昆虫的翅膀摆动主要依靠肌肉和神经系统的协同作用。
翅肌收缩产生的力量通过翅肌连接到翅膀上，随着翅肌的收缩和舒张，翅膀产生上下振动，从而产生升力和推进力。
此外，昆虫翅膀上的锁定机制可以保持翅膀在翅肌松弛时的位置，提供稳定的飞行效果。
2. 升力和推进力的产生昆虫飞行中的升力和推进力主要通过翅膀的摆动和翅膀形状的设计来实现。
翅膀的摆动产生了气流，促使空气流过翅膀表面，形成上下的气压差，从而产生升力。
同时，昆虫翅膀的形状和表面结构，如犁骨、副翅脉等，也可以增加升力和推进力的效果。
三、昆虫飞行在科学和工程领域的应用昆虫飞行机制的研究对于科学和工程领域具有重要意义。
首先，昆虫的飞行机制可以为生物学、生物力学以及飞行动力学等领域的研究提供宝贵的参考和模板。
其次，昆虫飞行的机制可以为微型飞行器和无人机的设计提供灵感，改善飞行的稳定性和机动性。
此外，昆虫飞行的机制对于理解和模拟昆虫的行为、追踪昆虫的迁徙路径等具有重要意义。
结论：昆虫的飞行方式和飞行机制是自然界中的独特现象，其高效的飞行能力令人惊叹。
通过研究昆虫飞行的机制，我们可以深入了解昆虫生物学和飞行力学的奥秘，并将这些知识应用到科学和工程领域。
蜻蜓飞行原理
蜻蜓飞行原理
蜻蜓是一种昆虫，它们的飞行原理是通过翅膀的振动来产生升力，并借助空气的动力来推动自身前进。
首先，蜻蜓的翅膀由许多薄而透明的脉翅组成，这些脉翅互相连接并呈现出放射状的纹理。
当蜻蜓飞行时，它会快速振动翅膀，每秒钟可达数十次甚至数百次的挥舞频率。
当蜻蜓挥动翅膀时，空气被迫通过翅膀之间的间隙，并顺着翅膀的曲线形状流动。
根据伯努利定律，空气在流过翅膀上表面时速度增加，而在下表面时速度减小，导致上表面形成低气压区，下表面形成高气压区。
这种压力差产生的升力将蜻蜓托起，使其能够在空中飞行。
蜻蜓通过改变翅膀的振动频率和幅度来控制飞行方向和速度。
当翅膀向上振动时，蜻蜓向下移动；当翅膀向下振动时，蜻蜓向上移动。
此外，蜻蜓的身体结构也对飞行起到了重要的作用。
它们的身体轻巧，由节节相连的环节构成，这使得它们具有较低的质量，有利于减少飞行阻力。
总结起来，蜻蜓的飞行主要依靠翅膀的振动产生升力，并通过调整翅膀的振动频率和幅度来控制飞行方向和速度。
这种飞行原理使得蜻蜓成为了空中优雅飞翔的昆虫。
昆虫是如何飞行的
昆虫是如何飞行的昆虫是地球上最为成功的生物之一，它们在进化过程中发展出了独特的飞行能力。
昆虫的飞行方式多种多样，包括蝴蝶的翅膀振动、蜜蜂的翅膀摆动、蚊子的翅膀扇动等。
本文将介绍昆虫飞行的原理和机制。
一、昆虫翅膀的结构昆虫的翅膀是它们飞行的关键器官，翅膀的结构对于昆虫的飞行能力起着至关重要的作用。
昆虫的翅膀由薄而坚韧的外骨骼和透明的膜翅组成。
膜翅上有许多细小的脉络，这些脉络使得翅膀具有足够的强度和刚度，同时又能保持足够的柔韧性。
二、昆虫飞行的原理昆虫的飞行原理主要包括空气动力学和肌肉运动两个方面。
1. 空气动力学昆虫的翅膀在飞行过程中产生了空气动力学效应。
当昆虫振动翅膀时，翅膀上的脉络会产生气流，形成一个高压区和低压区。
高压区使得昆虫向上升起，低压区则使得昆虫向前推进。
这种空气动力学效应使得昆虫能够在空中飞行。
2. 肌肉运动昆虫的飞行依赖于肌肉的运动。
昆虫的胸部有强大的飞行肌肉，这些肌肉通过收缩和放松来驱动翅膀的运动。
昆虫的翅膀在飞行过程中以高频率振动，每秒钟可以振动数百次甚至上千次。
这种高频率的振动使得昆虫能够产生足够的升力和推力，从而实现飞行。
三、昆虫飞行的机制昆虫的飞行机制主要有两种，分别是直翅目和膜翅目。
1. 直翅目直翅目昆虫的翅膀与身体相连，不能自由摆动。
它们通过改变翅膀的角度和形状来调节飞行姿态和飞行速度。
直翅目昆虫的飞行速度较快，飞行稳定性较高。
2. 膜翅目膜翅目昆虫的翅膀与身体之间有一条薄膜相连，可以自由摆动。
它们通过振动翅膀来产生升力和推力，实现飞行。
膜翅目昆虫的飞行速度较慢，飞行稳定性较差。
四、昆虫飞行的适应性昆虫的飞行适应性非常强，它们可以在各种环境条件下飞行。
昆虫的翅膀结构和飞行机制使得它们能够在狭小的空间中飞行，如蜜蜂在花丛中采蜜。
昆虫的飞行速度和灵活性使得它们能够逃避天敌的追捕，如蝴蝶在花园中飞舞。
昆虫的飞行能力还使得它们能够迁徙和寻找食物，如蚊子在夜晚中寻找血液。
总结起来，昆虫的飞行是通过翅膀的振动和空气动力学效应实现的。
昆虫的扑翼轨迹及高升力机理
第50卷第3期2018年6月南 京 航 空 航 天 大 学 学 报J o u r n a l o fN a n j i n g U n i v e r s i t y ofA e r o n a u t i c s&A s t r o n a u t i c s V o l .50N o .3J u n .2018D O I :10.16356/j.1005-2615.2018.03.001昆虫的扑翼轨迹及高升力机理吉爱红 沈 欢 李长龙 王 寰 俞志伟(南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所,南京,210016)摘要:通过昆虫飞行运动学测试系统测试了约束状态下蜻蜓㊁独角仙和鸣鸣蝉等3种昆虫飞行时的各项参数,分析了1个周期的扑翼过程㊁扑翼轨迹和翅膀变形等㊂蜻蜓的扑翼频率为22ʃ3H z ,独角仙的扑翼频率为30ʃ5H z ,鸣鸣蝉的扑翼频率为39ʃ6H z ;蜻蜓的翼尖轨迹为 8 字形,独角仙为类 8 字形,鸣鸣蝉为椭圆形;发现在下扑和仰旋阶段,翅膀形状近似为伞状,这种伞状效应能有效提高升力㊂研究昆虫飞行不同拍翅模式下的升力特性对微型飞行器的机动飞行设计有参考意义㊂关键词:昆虫;扑翼;飞行翅;升力;轨迹中图分类号:O 355 文献标志码:A 文章编号:1005-2615(2018)03-0289-06 基金项目:国家自然科学基金(51375232,51475230)资助项目;江苏省重点研发计划(社会发展)(B E 2017766)资助项目;研究生创新基地(实验室)开放基金(k f j j20171510)资助项目㊂ 收稿日期:2018-04-01;修订日期:2018-04-27作者简介:吉爱红,主要研究方向:仿生机构㊁仿生机器人等,已发表论文100余篇,专利20余项㊂通信作者:吉爱红,男,研究员,博士生导师,E -m a i l :m e e a h ji @n u a a .e d u .c n ㊂ 引用格式:吉爱红,沈欢,李长龙,等.昆虫的扑翼轨迹及高升力机理[J ].南京航空航天大学学报,2018,50(3):289-294.J IA i h o n g ,S H E N H u a n ,L IC h a n g l o n g ,e t a l .F l a p p i n g w i n g t r a j e c t o r y a n d l i f tm e c h a n i s m o f i n s e c t s [J ].J o u r n a l o f N a n j i n g U n i v e r s i t y ofA e r o n a u t i c s&A s t r o n a u t i c s ,2018,50(3):289-294.F l a p p i n g W i n g T r a j e c t o r y an dL i f tM e c h a n i s mo f I n s e c t s J IA i h o n g ,S H E N H u a n ,L IC h a n g l o n g ,WA N G H u a n ,Y UZ h i w e i (I n s t i t u t e o fB i o -i n s p i r e dS t r u c t u r e a n dS u r f a c eE n g i n e e r i n g ,N a n j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s&A s t r o n a u t i c s ,N a n j i n g,210016,C h i n a )A b s t r a c t :F l i g h t p a r a m e t e r s o f t e t h e r e dd r a g o n f l i e s (A n a x g o l i a t h u s ),H e r c u l e sb e e t l e s (A l l o m y r i n ad i -c h o t o m a ),a n d c i c a d a s (O n c o t y m p a n e m a c u l a t i c o l l i s )a r e m e a s u r e db y i n s e c t s f l i g h tk i n e m a t i c sm e a s -u r e m e n t s y s t e m.T h e f l a p p i n g t r a j e c t o r y o fw i n g t i p ,d e f o r m a t i o no fw i n g a r e a n a l yz e d i n t h e p r o c e s s o f t h e f l a p p i n g .T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h ew i n g s f l a p p i n g f r e q u e n c y o f d r a g o n f l i e s ,H e r c u l e s b e e t l e s ,a n d c i c a d a s a r e 22ʃ3,30ʃ5a n d39ʃ6H z ,r e s p e c t i v e l y .F u r t h e r m o r e ,t h e f l a p p i n g t r a j e c t o r y o f d r a g o n -f l i e s i s ᵡ8ᵡs h a p e ,b e e t l e s s i s s i m i l a r t o ᵡ8ᵡs h a p e a n d c i c a d a s s i s e l l i p s e s h a p e .I n t h e p r o c e s s o f d o w n -s t r o k e a n d s u p i n a t i o nw h e n i n s e c t s f l a p p i n g ,t h e s t r u c t u r e o f t h ew i n g l o o k s l i k eu m b r e l l a -s h a p e d .T h e u m b r e l l a -s h a p e dm o d e c a n r a i s e t h e l i f t f o r c e e f f e c t i v e l y .T h e s t u d y o f i n s e c t s ᶄw i n g s f l a p p i n g m o d e c a n i n s p i r e t h e d e s i g no fm a n -m a d em i c r o -a i r v e h i c l e (MA V ).K e y w o r d s :i n s e c t s ;f l a p p i n g ;f l y i n g w i n g s ;l i f t f o r c e ;t r a j e c t o r y 昆虫飞行过程中的复杂扑翼运动是其能够产生瞬时升力和高升力并保持高效㊁灵活机动飞行的关键㊂W e i s f o gh 通过对黄蜂的飞行研究提出了昆虫扑翼飞行产生瞬时升力的C l a p -F l i n g 机制[1]㊂D i c k i n s o n 等通过活体昆虫吊飞实验以及机械翅在一个装满矿物油的油罐中的飞行模拟实验,得出了昆虫依靠延迟失速㊁旋转环流与尾流捕获的共同作用来产生高升力的结论[2]㊂近年来,国内外的学者对上述机制中前缘涡的结构㊁演变及其稳定性进行了进一步研究㊂孙茂等系统研究了典型飞行状态下动物(蝇㊁蜂等昆虫㊁尺寸小的鸟和蝙蝠)作拍动运动时的气动力和流动特性㊁动物飞行的新推进机制㊁动物飞行的控制和增稳方式㊁机动飞行的高升力机理及控制原理等[3-7]㊂吴子牛等研究了昆虫扑翼悬停飞行尾涡的影响,给出了拍动翅上的周期平均升力与涡环运动的半解析表达式[8]㊂D i c k i n s o n 等测量了果蝇作S a c c a d e机动时身体和翅膀的运动学参数,研究了果蝇飞行中的身体平衡[9-11]㊂陈伟等对大量昆虫进行吊飞实验,得出了昆虫翅振频率与翅形态㊁翅面积和身体质量等结构参数的联系[12]㊂L e e等研究了具有低展弦比的蝴蝶翼周围流场,发现当迎角超过10ʎ,随着迎角的增加,流场变得不稳定,阻力会显著增加而升力仅仅逐渐变大[13]㊂H e n n i n g s s o n等通过大体积粒子图像测速(P a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y,P I V)实验方法首次发现了沙漠蝗虫扑翼过程中由 K e l v i n-H e l m h o l t z 不稳定机制 产生的位于剪切层的次级涡旋[14]㊂O r t e g aA n c e l等发现蝴蝶扑翼飞行通过伸展前翅增加翼展使升阻比达到6.28,从而显著提高了升力增强飞行机动性[15]㊂由于各物种间翼型结构及雷诺数的差别,鸟类(除了蜂鸟)的飞行主要依赖于翼型的流线型结构以及初级飞羽的构型变化,昆虫㊁蜂鸟和蝙蝠的飞行主要依赖于前缘涡的环量增强作用以及尾涡俘获等非定常空气动力学机制㊂后者体现了自然界中微小型飞行生物的共同特征,且翅型结构相对简单,是微型仿生扑翼飞行器的理想原型[16]㊂本文对蜻蜓(A n a x g o l i a t h u s)㊁独角仙(A l l o m y r i n ad i c h o t o m a)和鸣鸣蝉(O n c o t y m p a n e m a c u l a t i c o l l i s)等3种昆虫开展系栓状态下的扑翼飞行实验,对其扑翼过程㊁扑翼轨迹㊁翅膀变形和升力特性进行了分析和讨论㊂1实验材料与方法蜻蜓㊁独角仙和鸣鸣蝉成虫在夏季有较强的飞行能力,因此昆虫运动学测试实验安排在夏季进行㊂蜻蜓和鸣鸣蝉采集于紫金山麓,独角仙可从淘宝网购买,这样能够保证昆虫的活力和充足的数量㊂实验时室温为22~25ħ㊂实验昆虫的身体形态参数如表1所示㊂表1昆虫身体形态参数及实验数据T a b.1M o r p h o l o g i c a l p a r a m a t e r s o f i n s e c t s a n d e x p e r i m e n-t a l d a t a昆虫蜻蜓独角仙鸣鸣蝉数量/只101513质量/g0.30ʃ0.017.00ʃ1.004.50ʃ0.20体长/mm50ʃ360ʃ550ʃ2翼展/mm53ʃ382ʃ462ʃ3实验量/次507565昆虫飞行运动学测试系统由两台高速摄像机(i-S P E E D3,O l y m p u s,日本)组成(图1),1台高速摄像机的T r i g g e r i n与另1台高速摄像机的T r i g o u t相连接,就可以通过设置一台高速摄像机的参数来进行2台高速摄像机的图像同步记录与采集㊂高速摄像机的拍摄频率为1500帧/s,分辨率为1280ˑ1024㊂实验时用502胶水将昆虫的腹板固定在支架上,两台高速摄像机成90ʎ,以固定昆虫的支架平面的中心为坐标原点㊂设定1台高速摄像机的拍摄图像坐标平面为x o y,另1台为y o z,则两台高速摄像机的图像可形成x,y和z的3维空间图像㊂实验后,在S i g m a S c a n软件(S i g m a S-c a nP r o5.0,S P S S公司,美国)中将拍摄记录的3种昆虫的左右翅膀扑动图像的坐标点进行转化处理,并用MA T L A BR016对数据进行分析㊂图1昆虫飞行运动学测试系统F i g.1 M e a s u r e m e n t s y s t e mo f i n s e c t f l i g h t k i n e m a t i c s 2实验结果与分析观察发现,蜻蜓的后翅轮廓尺寸相对于前翅稍大,后翅翼展大于前翅翼展;另一方面,后翅面的脉络较前翅面更为清晰,翼尖点在图像中易于确定,因此分析蜻蜓的扑翼过程时选择后翅的扑动图像进行处理分析㊂独角仙的前翅为鞘翅,其主要作用是保护身体;后翅为飞行翅,因此以独角仙的后翅为对象开展扑动过程分析㊂鸣鸣蝉的前翅轮廓明显大于后翅,扑动过程中,后翅几乎不可见,而且升力主要由前翅的扑动产生,因此以鸣鸣蝉的前翅作为研究对象㊂2.1昆虫翅膀扑动过程由记录的图像分析可知,3种昆虫翅膀扑动1个周期大致可分为下扑(D o w n-s t r o k e)㊁仰旋(S u-p i n a t i o n)㊁上挥(U p-s t r o k e)和俯旋(P r o n a t i o n)4个阶段(图2)㊂昆虫翅膀下扑时,翅膀的变形方向垂直于翅面向上㊂在这个阶段翅膀边缘部位有一定的弯曲,弯曲的方向与扑翼的方向相同,翅膀的形状类似于伞状,如图2(a)所示㊂昆虫翅膀仰旋092南京航空航天大学学报第50卷(即昆虫扑翼时翅膀下扑的最大角度处)时,翅膀首先垂直于翅面向上变形,沿着翅膀根部与翅尖的连线处中间呈外凸的形式,直至仰旋结束为止㊂在这个过程中翅膀边缘部位有一定的弯曲现象发生,与下扑时翅膀变形相似,如图2(b)㊂而且在仰旋阶段昆虫飞行时依靠旋转环流和尾流捕获机制获得更大的升力㊂昆虫翅膀上挥时,翅膀的变形方向垂直于翅面向下,翅膀变形不明显,在翅膀边缘处未发现有明显的弯曲现象,翅膀在上挥的过程并未出现明显的伞状,如图2(c)所示㊂昆虫翅膀俯旋(即昆虫扑翼时翅膀上挥的最大角度处)时,从图2(d)中可以看出翅膀中间有微小变形,而翅膀前缘部分并未出现弯曲的现象,从整体上看翅膀的变形形状并不是伞状㊂可将昆虫翅膀的变形分为垂直于翅面向上的变形(外凸)和垂直于翅面向下的变形(内凹)两种㊂翅膀垂直于翅面向上的变形(外凸)说明翅膀下方的空气压力大于翅膀上方的空气压力,使得变形垂直于翅面向上,从而产生较大的升力来保持飞行姿态㊂翅膀垂直于翅面向下的变形(内凹)说明翅膀上方的空气压力大于翅膀下方的空气压力,使得变形垂直于翅面向下,从而产生1个相对于升力较小的推力来维持昆虫的飞行方向㊂在扑翼的过程中,昆虫通过主动的扭转行为使其产生更有效的升力来维持昆虫在空中飞行的姿态㊂而在上挥的过程中并未发现翅膀这种主动扭转弯曲的现象发生,说明在这个过程中翅膀只需要产生能维持前飞的推力,而这个推力远远小于升力㊂由于迎角的存在,在产生升力的同时也产生了推力㊂从变形的整体形状上看,翅膀是呈现伞状的变形即伞状效应,这样更能有效合理地产生空气动力,即产生更加有效而且更大的升力来维持昆虫的飞行姿态㊂图2昆虫1个周期内扑翼的4个阶段F i g.2F o u r p h a s e s i n c y c l e o f i n s e c t s w i n g s f l a p p i n g根据统计结果可知,蜻蜓的后翅扑动1周需要的时间约为45.5m s,扑动频率为22ʃ3H z㊂从完成俯旋开始下扑至最低点约20.9m s,然后翅膀绕翅根与翅尖的连线的轴线旋转约5ʎ,时间为5m s,接着上挥至最高点约15.9m s,进而翅膀绕翅根与翅尖的连线的轴线旋转约10ʎ,该阶段俯旋耗时3.7m s㊂独角仙后翅扑动1周经历时间为33.3 m s,扑动频率为30ʃ5H z㊂下扑阶段约17.3m s,然后翅膀绕翅根与翅尖的连线的轴线旋转约15ʎ,该仰旋阶段时间为2.3m s,接着上挥阶段耗时12m s到达最高点,进而翅膀绕翅根与翅尖的连线的轴线旋转30ʎ,时间为1.7m s㊂鸣鸣蝉前翅扑动1周的时间为25.6m s左右,扑动频率为39ʃ6H z㊂从完成俯旋开始下扑至最低点约11m s,然后翅膀绕翅根与翅尖的连线的轴线旋转约10ʎ,时间仅约2m s,接着上挥阶段耗时11m s到达最高点,进而翅膀绕翅根与翅尖的连线的轴线旋转20ʎ左右,时间仅1.6m s㊂表2为3种昆虫飞行翅扑动1个周期过程中下扑㊁仰旋㊁上挥和俯旋4个阶段经历的时间比例㊂由表2可知,3种昆虫中飞行翅的下扑阶段时间超过上挥阶段时间㊂昆虫在下扑的过程中主要是提供升力,而上挥的过程主要产生推力㊂昆虫在扑翼的过程中产生升力的时间要大于产生推力的时间,这样才能够使昆虫有足够大的升力维持其飞行状态㊂另一方面,昆虫仰旋阶段时间略大于俯旋阶段时间,这可以使昆虫能够在飞行时做一些复杂的机动动作如急停㊁转弯等[10],而且仰旋阶段是翅膀由下扑调整为上挥的转折阶段,受到空气阻力较大,所以这个过程经历时间相对俯旋阶段较长㊂表2昆虫扑翼4个阶段所占的百分比T a b.2P e r c e n t a g e s o f t h e f o u r p r o c e s s e s d u r i n g i n s e c t s f l a p-p i n g w i n g s%类别下扑仰旋上挥俯旋蜻蜓4611358独角仙527365鸣鸣蝉438436独角仙飞行时其折叠的后翅完全展开后的翼展可达82mm(表1),鸣鸣蝉和蜻蜓的翼展分别为62mm和53mm,但是独角仙的扑翼频率略小于鸣鸣蝉的扑翼频率㊂蜻蜓㊁独角仙和鸣鸣蝉的扑翼角度分别为90ʎʃ10ʎ,170ʎʃ7ʎ和120ʎʃ9ʎ㊂由扑翼角度和扑翼频率,可以计算出3种昆虫的扑翼角速度分别为11,28.3和26r a d/s㊂独角仙的平均角速度最大,蜻蜓最小㊂3种昆虫中,独角仙的质192第3期吉爱红,等:昆虫的扑翼轨迹及高升力机理量最大,蜻蜓最轻㊂由以上分析可知,昆虫在飞行时由于翅膀的大小和质量不同导致了扑翼频率㊁扑翼角度存在着明显的不同,从而决定了不同的扑翼升力㊂2.2 昆虫扑翼的三维轨迹分析昆虫扑翼过程发现,蜻蜓翅膀在上挥和下扑时,翅膀沿扭转轴有一定的扭转,使其迎角快速地改变㊂独角仙翅膀上挥和下扑时完全张开平伸,其翅膀在扑动时弯曲变形,形状类似于伞状㊂鸣鸣蝉在上挥阶段左右两翅膀虽然会相互接近,但仍然有一定距离或者仅两对翅膀后面的部分会出现极短的接触时间㊂3种昆虫在扑翼过程中翅膀的变形程度和扑动轨迹存在着明显的差异㊂这种差异性表现为昆虫在飞行过程中存在着不同的扑翼方式㊂图3 5分别为蜻蜓㊁独角仙和鸣鸣蝉扑翼运动时飞行翅的翼尖三维轨迹(各4组),由图3 5可知,蜻蜓的翼尖轨迹为 8 字形,独角仙为类 8字形,而鸣鸣蝉的翼尖轨迹近似椭圆形㊂相同的翼面面积下, 8 字形扑动轨迹的升力最大,椭圆形扑动轨迹产生的升力相对最小[17]㊂3种昆虫中,蜻蜓的质量最小,其翼展和翼面面积也最小,采用 8字形轨迹的扑动方式可以产生足够的升力来保持空中的飞行状态㊂独角仙的质量最大,翼面展和翼面面积也最大,采用类 8字形的扑动轨迹,相比于蜻蜓的扑翼轨迹,独角仙采用这个扑翼方式可以产生足够的升力来保持在空中的飞行状态㊂鸣鸣蝉的扑翼轨迹与蜻蜓和独角仙相比差异性很大,采用椭圆形翼尖轨迹进行扑翼运动㊂虽然椭圆形轨迹产生的升力小于 8 字形的轨迹,但是鸣鸣蝉的翅膀较大采用椭圆形的轨迹也能使其保持足够的升力㊂图3 蜻蜓翅膀扑翼三维轨迹F i g .3 W i n g f l a p p i n g w i n g 3Dt r a j e c t o r y o f d r a go n f l i e s 图6为3种昆虫翅尖在x ,y ,z 这3个方向上的位移㊂通过3种昆虫在x ,y ,z 这3个方向上扑图4 独角仙翅膀扑翼三维轨迹F i g .4 W i n g f l a p p i n g w i n g 3Dt r a j e c t o r y ofH e r c u l e sb e e t l es 图5 鸣鸣蝉翅膀扑翼三维轨迹F i g .5 W i n g f l a p p i n g w i n g 3Dt r a j e c t o r y of c i c a d a s 翼轨迹曲线可以看出3种昆虫扑翼过程的不同之处㊂在x 方向上,蜻蜓左右翅的轨迹曲线近似于1个对称的余弦曲线,而独角仙则出现两个波峰,近似于两个周期的正弦曲线,鸣鸣蝉也近似为正弦曲线;在y 方向上,蜻蜓左右翅曲线呈现出两个周期与幅值不同的余弦曲线,而独角仙左右翅曲线则是两个周期相同㊁幅值相同的余弦曲线,鸣鸣蝉左右翅呈现的是两个周期㊁幅值近似相同的正弦曲线;在z 方向上,蜻蜓左右翅呈现的是1个不规则的余弦曲线,前半个周期小于后半个周期,独角仙左右翅呈现的是1个完整的正弦曲线,而鸣鸣蝉呈现的是一个完整的余弦曲线㊂在x ,y ,z 这3个方向上不同的曲线形状,可以得到3种昆虫在飞行时扑翼方式的不同,即如前文所述的蜻蜓的 8 字形轨迹,独角仙采用的类 8 字形轨迹,而鸣鸣蝉采用的椭圆形轨迹㊂但是综合分析可知,3种昆虫左右膀的扑动频率一致,扑翼轨迹曲线的转折点对左右翅膀也基本上是一致㊂昆虫飞行时左右翅在1个周期内保持相同的扑翼方式㊂但是在z 方向上,轨迹曲292南 京 航 空 航 天 大 学 学 报第50卷线呈上㊁下不对称,也就意味着上㊁下扑翼是不对称的㊂这说明昆虫在飞行的过程中左右翅虽然扑动相位一致,但是翅膀所运动的轨迹并不是完全一致,这有利于昆虫进行一些高难度的机动飞行,如转弯㊁倾斜飞行等㊂图6 昆虫翅翼在x ,y ,z 方向上位移F i g .6 D i s p l a c e m e n t s o f i n s e c t s w i n g s i n x ,y ,z d i r e c t i o n s 3 结束语通过昆虫飞行运动学测试系统测试了约束状态下蜻蜓㊁独角仙和鸣鸣蝉等3种昆虫飞行时的各项参数㊂分别以蜻蜓后翅㊁独角仙后翅和鸣鸣蝉前翅的扑动图像分析了1个周期的扑翼过程㊁扑翼轨迹和翅膀变形等㊂蜻蜓的扑翼频率为22ʃ3H z ,独角仙的扑翼频率为30ʃ5H z ,鸣鸣蝉的扑翼频率为39ʃ6H z ㊂昆虫在飞行时由于翅膀的大小和质量不同导致了扑翼频率㊁扑翼角度存在着明显的不同,从而决定了不同的扑翼升力㊂在下扑㊁仰旋㊁上挥和俯旋4个阶段中,下扑时间比上挥时间大,说明了昆虫需要较长的时间来产生足够的升力来维持飞行㊂蜻蜓的翼尖轨迹为 8字形,独角仙为类 8 字形,鸣鸣蝉为椭圆形;发现在下扑和仰旋阶段,翅膀形状近似为伞状,这种伞状效应能有效提高升力㊂研究昆虫飞行在不同拍翅模式下的升力特性对微型飞行器的机动飞行设计有参考意义㊂参考文献:[1] W E I S F O G H T.Q u i c ke s t i m a t e so ff l i gh tf i t n e s si n h o v e r i n g a n i m a l s :I n c l u d i n g no v e lm e c h a n i s m s f o r l i f t p r o d u c t i o n [J ].J o u r n a l o f E x p e r i m e n t a l B i o l o g y,1973,59(1):169-230.[2] S A N ESP ,D I C K I N S O N M H.T h ec o n t r o l o f f l i gh t f o r c eb y af l a p p i n g w i n g :L i f ta n d d r a g p r o d u c t i o n [J ].J o u r n a l o fE x p e r i m e n t a l B i o l o g y,2001,204(15):2607-2626.[3] L U O G u o y u ,S U N M a o .T h ee f f e c t so fc o r r u ga t i o n a n dw i n gp l a n f o r mo n t h e a e r o d y n a m i c f o r c e p r o d u c -t i o no fs w e e p i n g m o d e l i n s e c tw i n g s [J ].A c t a M e -c h a n i c aS i n i c a ,2005,21(6):531-541.[4] D U G a n g ,S U N M a o .E f f e c t s o f u n s t e a d y de f o r m a t i o n o f f l a p p i n g w i n g so ni t sa e r o 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为什么有些昆虫能够飞,而有些不能？
为什么有些昆虫能够飞，而有些不能？一、昆虫的特殊身体结构使其能够飞昆虫的身体结构是其能够飞行的关键。
首先，昆虫的外骨骼可以提供支持和保护。
外骨骼由硬壳和柔软的关节连接而成，它们合作起来形成强大的骨架，使昆虫能够承受飞行时所需的压力。
此外，昆虫的身体被覆盖着细小而坚固的鳞片，这些鳞片可以减少阻力，使飞行更加顺畅。
其次，昆虫的肌肉系统也是其飞行能力的重要组成部分。
昆虫的肌肉相对于它们的体重来说非常强壮，尤其是在胸部和翅膀上的肌肉。
这些肌肉可以迅速地收缩和放松，使翅膀产生快速而有力的拍打，从而产生升力，使昆虫得以飞行。
第三，昆虫的呼吸系统也对其飞行能力起到关键作用。
昆虫的呼吸系统由气管和气管分支组成，它们将氧气直接输送到细胞，并将代谢产物二氧化碳排出体外。
这种高效的呼吸系统使昆虫能够在飞行时获得足够的氧气，以支持其高能耗的活动。
二、飞行对昆虫的生存和繁殖至关重要飞行对昆虫的生存和繁殖起到至关重要的作用。
首先，飞行使昆虫能够寻找食物和繁殖地。
昆虫的飞行能力使其能够迅速地移动到寻找食物的地方，以满足其能量需求。
同时，飞行还使昆虫能够找到适合繁殖的环境，提高繁殖的成功率。
其次，飞行还使昆虫能够逃避天敌和寻找适合的栖息地。
昆虫在飞行中可以快速移动，从而可以逃脱掠食者的追捕。
同时，飞行还使昆虫能够找到适合自己生存和繁殖的栖息地，以提供足够的食物和避免激烈的竞争。
三、不同昆虫之间飞行能力的差异尽管大多数昆虫都具备飞行能力，但并非所有昆虫都能飞。
这是因为不同昆虫的生态环境和生活方式导致了它们对飞行的需求和适应能力的差异。
首先，昆虫的体型和体重对其飞行能力起到重要的影响。
较大且重的昆虫由于体型庞大和体重较重，需要更强大的飞行肌肉和更大的翅膀面积才能产生足够的升力。
因此，这些昆虫往往具有更强壮和发达的飞行器官，如蜻蜓和蝙蝠。
其次，昆虫的生活方式和行为也影响了它们对飞行的需求和适应能力。
一些昆虫栖息在水中或地下，它们可能没有飞行的必要性，因为它们可以利用其他的生活方式来满足其生存和繁殖的需求。
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收稿日期: 2003-07-07 作者简介: 孙 茂( 1955- ) , 男, 贵州贵阳人, 教授, sunmao@ public. fhnet. cn. net.
第 11 期
孙 茂等: 昆虫飞行的 高升力机理和能耗
971
1 昆虫翅膀的拍动运动
昆虫靠拍动其翅膀来飞行. 翅膀近似在一个 面内拍动, 该平面称为拍动平面( 见图 1) , 对许多 昆虫( 如果蝇、熊蜂等) , 拍动平面与身体之间的夹 角是固定的[3, 7, 8] ; 对有的昆虫( 如鹰蛾等) 该夹角 随飞行条件略有变化[ 3] . 拍动平面与直升机桨叶 的旋转平面类似, 不同的是直升机桨叶作固定方 向旋转, 而昆虫翅作往复式运动. 拍动范围的大小 用拍动角来 衡量, 对于许多的昆虫, 拍动角约为 120b[1, 3] .
9 72
北京航空航天大学 学报
2003 年
小) . 应指出, 最近针对昆虫模型翅和真实翅的研 究结果表明, 气动力受翅膀弯度的影响并不太大, 扭转的影响几乎没有[ 13, 14] .
2 非定常高升力机理
早期有关昆虫的研究工作主要有 3 个方面. ¹ 运动学观察, 获得了拍动频率, 拍动角, 拍动平 面倾角等参数. º 将昆虫翅置于风洞中, 在相应的 Re 下进行定常气动力测量. » 利用测得的气动性 能数据, 与运动参数结合, 在准定常假设下估算昆 虫飞行的升力及能耗, 看能否像处理直升机旋翼 或螺旋桨那样, 用准定常空气动力学理论来解释 昆虫的飞行. 作为例子, 图 3 给出果蝇翅膀的风洞 实验结果( Re U 200) [ 4] , 攻角为 10b时, 升 力系数 CL 只有约 0. 23, 远小于高 Re 下典型机翼的值; 最大 CL 只有约 0. 60. 人们即使用此最大 CL 与果 蝇翅膀的运动参数结合, 估算出的力也不能平衡 该昆虫的重量[ 6, 15] ; 对于其它昆虫, 情况也基本如 此[ 6] ; 说明不能用定常流理论去解释昆虫的飞行.
Key words: insect ; flies; bees; moths; dragonflies; non-steady flow; flapping wing; power requirement ; m-i cro- air vehicles( MAVs)
昆虫是最早出现、数量最多, 体积最小, 机动 性最好的 飞行者. 其 翅膀运 动的雷 诺数 ( Re ) 很 小, 在 10~ 10 000 之间[ 1~ 3] . 将其翅膀在风洞的定 常来流条件下进行实验, 结果表明, 在此 Re 范围 产生升力的能力很低. 例如, 果蝇翅膀的最大升力 系数只有约 0. 6[ 4] , 蜻蜓翅膀的只有约 1. 0[ 5] , 不 够平衡昆虫的重量, 更不能提供机动飞行所需的 附加气动力. 显然, 昆虫是利用非定常流来产生高 升力的[6] ( 这里的高升力是相对定常条件下的升 力来说的) . 人们对昆虫产生高升力的机理十分感 兴趣. 这主要是因为:
1) 生物学家研究昆虫的生物学问题时, 需要
了解飞行中气动力的产生和能量的消耗对昆虫的 生态学、生理学、微 观和宏观的进化等方面的影 响;
2) 工程专家从仿生学的角度, 希望了解昆虫 是如何利用/ 新奇0空气动力学原理的, 特别是近 来人们关注的微型飞行器需要向昆虫借鉴.
在过去 10 年中, 该领域的工作有了较大的进 展. 本文回顾这 10 年中该领域的研究工作. 首先, 简述昆虫翅的拍动运动; 其次, 探讨拍动翅的非定 常高升力机制; 然后, 讨论昆虫悬停和前飞时的能 耗问题; 最后, 介绍最近关于具有两对翅膀的昆虫 ) ) ) 蜻蜓飞行的研究结果.
翅膀拍动的运动学参数, 如拍动幅度, 频率, 攻角都可能会随飞行速度变化. 但目前, 只有熊蜂 和鹰蛾的拍动参数较全, 从悬停到最大飞行速度 的范围内, 都有自由飞行的观测数据[ 11, 12] .
另外, 大多数昆虫的翅膀具有 10b~ 20b的扭 转, 翅根的攻角比翅尖大, 有如螺旋桨; 也存在一 定弯度( 果蝇等小昆虫翅膀似乎较坚硬, 扭转十分
) ) ) 蜻蜓飞行的研究结果.
关 键 词: 昆虫; 蝇; 蜂; 蛾; 蜻蜓; 非定常流动; 高升力机制; 能耗; 微型飞
行器
中图分类号: V 21113; Q 81116
文献标识码: A
文 章 编 号: 1001- 5965( 2003) 11-0970-08
Unsteady lift mechanisms and energetic in flying insects
摘
要: 昆虫的飞行机理可能为微型飞行器所借鉴, 因而近来人们对其十
分关注. 在过去 10 年中, 该领域的工作有了较大的进展. 回顾首先, 简述昆虫翅的拍动运动; 其次, 探讨拍动翅的非定常高升力机制; 然
后, 讨论昆虫悬停和前飞时的能耗问题; 最后, 介绍最近关于具有两对翅膀的昆虫
110b. 翻转时间约为一个拍动周期的 20% . 果蝇的 拍动 频率 约为 250 Hz, 平 均转 动角 速 度可 超过 105( b) Ps ; 鹰蛾的拍动频率约 25Hz, 平均转动角速 度超过 104 ( b) Ps.
对于翅的平动, 从对一些昆虫的自由悬停和 少数昆虫的自由前飞的观察知, 翅的平动速度随 时间的变化近似为正弦函数[ 3] , 最大速度点位于 上拍或下拍的中间时刻, 而最大加速度点位于一 次拍动的开始处( 见图 2) . 由于自由飞行时翅膀 拍动的数据较难获得, 人们往往将昆虫固定于风 洞中的某种装置上来做实验, 称为系留飞行实验. 对果蝇在系留飞行状态下的观测表明, 翅膀的平 动速度随时间变化的近似为/ 梯形函数0, 即在拍 动开始阶段, 拍动速度很快增加到一常数, 然后保 持该常数, 拍动快结束时, 速度又快速降低到零[ 9] ( 见图 2) . 与正弦函数相比, / 梯形函数0在每次拍 动开始时的加速度和 结束时的减速 度都大了许
由于前飞时拍动平面向前倾斜( 对有的昆虫, 如蜻蜓、食蚜蝇等, 悬停飞行时也如此) , 向前的拍 动实际上是向前和向下的, 而向后的拍动是向后 和向上的, 因而, 习惯上也把所有飞行状态下的向 前拍动称为下拍, 向后拍动称为上挥或上拍. 在下 拍或上拍过程中, 将拍动平面内的 运动称为/ 平 动0( 事实上是周向转动) , 而两拍动之间的翻转称 为/ 转动0.
对于翅的转动, 多数昆虫在正常悬停中翅膀 的攻角约为 35b, 两次 拍动之间翻转 的角度约为
SHF ) 正弦函数; TF) 梯形函数. 图 2 无 量纲平动速度 <# + 及转动速度 ÛA+
若转动的一半在拍动结束阶段完成, 另一半 在下一次拍动的初始阶 段完成, 则称为/ 对称模 式0; 若将转动提前, 让其大部分在拍动结束阶段 完成, 只有一小部分在下一次拍动的起始阶段完 成, 则称为/ 超前模式0; 反之称为/ 滞后模式0[ 10] . 平动速度为梯形函数时, 转动时间的变化对气动 力的影响很大. 如果使左右两翅膀转动时间不同, 就可能提供机动飞行的控制力[ 10] .
悬停飞行时, 对于许多昆虫, 拍动平面是水平 的( 称为/ 正常悬停0) , 翅膀向前拍动时, 翼弦与拍 动平面成一夹角, 即攻角, 从而可产生升力( 见图 1) ; 向后拍动时, 翅膀翻转过来, 下翼面变成上翼 面, 运动速度, 攻角等与向前拍动时相同, 产生同 样大的升力( 见图 1) . 向前拍动和向后拍动的阻 力大小相同但方向相反, 一周期中的平均值为零. 因而, 一周期中翅膀上平均气动力是垂直向上的, 其平衡昆虫身体重量. 前飞时, 这些昆虫将拍动平 面向前倾斜, 这样可使平均气动力向前倾斜, 从而 提供克服身体阻力的推力[3] . 当拍动平面前倾时, 身体倾角( 体轴与水平面之夹角) 也变小, 以便减 小阻力. 通过向后或向旁边倾斜拍动平面, 昆虫可 以向相应方向飞行[ 3] .
Sun Mao Wu Jianghao
( School of Aeronaut ics Science and Technology, Beijing U niversity of Aeronautics and Ast ronautics, Beijing 100083, China)
Abstract: Recently, the interest has been developed in small autonomous flying vehicles. There already exist such autonomous MAVs( micro- air vehicles) in nature: the insects. In the design of small flying machines, it is very helpful to understand first how these small animals fly. The achievements of the last ten years in the field of insect flight aerodynamics are reviewed. First, the kinematics of the flapping motion of insects is summarized. Next, issues related to the unsteady lift mechanisms of flapping wings of the fruit fly and similar insects are presented. Then the power requirements of hovering and forward flight are discussed. Finally, recent works on the insects that have two pairs of wings are discussed.
图 3 果蝇翅膀的升、阻力系数( CL , CD ) 的极曲线, Re= 200 风洞实验( 引自文献[ 4] )