扑翼机一

扑翼机(一）
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科目劳技课题扑翼机(一）年
级
课
时
1
授课类型讲述探究教学方法探究法演示法授课教师宋凯军授课时间
教学目标1、了解扑翼机概念,初步探究扑翼机，与发明家对话。

２、体验探究昆虫和鸟类的扑翼飞行机理,
３、经历探究扑翼机过程,感受兴趣,对扑翼机产生兴趣。

教学用具扑翼机样机
教学重点产生兴趣,。

教学难点探究昆虫和鸟类的扑翼飞行机理
教学环节教师活动学生活动预期效果或达到目标
一、扑翼机：展示样机
提问：扑翼机怎样飞?
ｏrniｔｈopter
机翼能像鸟和昆虫翅膀那样上下扑动的重于
空气的航空器。

又称振翼机。

扑动的机翼不仅产生
升力,还产生向前的推动力。

中国春秋时期就有人试
图制造能飞的木鸟。

15世纪意大利的达·芬奇绘制
过扑翼机的草图。

1930年，一架意大利的扑翼机
模型进行过试飞。

此后出现过多种扑翼机的设计方
案，但由于控制技术、材料和结构方面的问题一直
未能解决,扑翼机仍停留在模型制作和设想阶段。

二、扑翼机的设
想:
扑翼机就是一种能像鸟那样搧动翅膀飞行的机器。

不过,现代人设计的扑翼机翅膀是用各种合成材料
做的,古代人的扑翼机“机翼”却是用地道的鸟禽羽
毛做的,而“机身”却是活生生的人。

不知道大家注意到没有,在我们的周围,常存在
着一些飞来飞去的小生灵。

你看那轻盈的小燕子,
时而俯冲大地;时而立定盘旋;时而直上蓝天,飞得
多么自由自在啊!我们为什么不能也长一对翅膀或
者做一对翅膀飞翔呢？想得真好。

在遥远的古代，
我们的祖先就想到了要制造像鸟一样飞的机器，帮
助人们实现展翅飞翔的梦想，这其实也是现代扑翼
学生思考回答
产生兴趣
机和滑翔机诞生的基础。

12５0年罗杰·培根记述扑翼机的设想,15世纪
达·芬奇作出具体设计,但一直未获成功。

人类在尝
试飞行的初期,一直是很直观地模仿鸟类，用各种鸟
羽或其他人造物，制成翅膀,“安装”在人的身上。

在
经历了许多失败之后，人类逐渐认识到单纯的利用
羽翅是不能飞行的。

于是开始寻找一种机械的方
式。

扑翼机就是这个阶段的产物。

最早的扑翼机也
许就是英国的修道士罗杰·培根在1250年发表的
《工艺和自然的奥秘》一文中所记述的：“供飞行用
的机器,上坐一人,靠驱动器械使人造翅膀上下扑打
空气,尽可能地模仿鸟的动作飞行。

”1５世纪初,意
大利的达·芬奇是欧洲文艺复兴时斯的文艺、科学巨
擘。

他对飞行抱有热
忱,他也是研究扑翼机的著名人物。

他的具体设想
为,人俯卧在扑翼机中部,脚蹬后顶板,手扳前部装
有鸟羽的横杵,就像划桨一样扇动空气，推动飞行。

这个方案是达·芬奇研究了鸟翅,利用物理和解剖知
识而设想出来的。

扑翼机和带翼飞人相比是种进步,
然而在本质上仍是仿鸟的人力飞行。

这种影响一直
延伸至飞机发明前夕。

三、制造扑翼机：自达·芬奇之后，有个土耳其人
穿了一件宽大的带框架的斗篷,利用扑翼原理飞行,
不料框架经受不住空气阻力而折断,这位土耳其人
不幸遇难。

167８年,法国有个叫贝尼埃的锁匠也制
产生制作欲望了一架扑翼机。

他在肩上担两根杆子,杆端各装一对
铰接的长方翼片。

杆端向上摆动，翼片收拢,向下摆
动,翼片展开。

通过多次实验,贝尼埃始终未能成功。

1742年，62岁的巴凯维尔用四个翼形机构绑缚在
自己四肢上，从巴黎旅馆屋顶上奋身一跃,企图飞越
塞纳河。

但他飞了一半便坠河撞在船上，摔断了腿。

扑翼机的设想由来已久。

在我国西汉时期,曾经
有人用大鸟的羽毛制做了两个特大翅膀，然后这人
搧动着翅膀从高楼飞下。

他只飞了几百步远,虽然没
有成功，却是一种可贵的尝试。

也不知道是多少年
后,在英国、阿拉伯、土耳其也有人做过类似的试验。

不过,这几个人并不都是那么幸运。

据说，除了一个
士耳其人飞行了好几公里远外,另外的人要么摔断
了腿，要么坠地而死，酿成了悲剧。

到了15世纪，意大利的天才设计家达·芬奇设计了一种像鸟一样扑翼的机械，此机械装有翅膀,能用脚来进行扑动。

这兴许是现代扑翼机的前身。

193０年,一架意大利的扑翼机模型进行过试飞，它重约2２.7公斤，装有一台０.3７千瓦(０．５马力）的发动机。

扑翼机的设计方案中，有的形如蝙蝠,具有薄膜似的扑动翼面;有的装有带缝隙和活门的扑动翼，具有类似飞鸟翅膀的作用。

鸟类和昆虫的飞行表明，扑翼机在低速飞行时所需的功率比普通飞机小得多,并且具有优异的垂直起落能力。

但是要真正实现像鸟类翅膀那样的复杂运动或是像蜻蜓和其他昆虫翅膀那样的高频扑扇运动则非常困难。

设计扑翼机所遇到的控制技术、材料和结构方面的问题一直未能解决。

扑翼机仍停留在模型制作和设想阶段。

尽管如此,仍有不少科学家、工程师和业余爱好者致力于扑翼机的研究工作。

提问：为什么现实生活中没有载人扑翼机?
四、扑翼机的难题：但是到目前为止,现代扑翼机并没有真正制造出来。

这是为什么呢?其实不要说扑翼机、飞机，就是人真的像童话里描述的那样插上翅膀，也不一定能飞。

达·芬奇曾从飞禽的解剖中发现:鸟的臂肌相当有力，而人的臂肌却显得太“苍白无力”了。

再说,人即使能像鸟那么快地搧动翅膀,他的血液供应也不够。

换句话说，人的心脏跳动和代谢功能赶不上鸟。

有统计表明，人即使装上一副约10斤重的翅膀，它所发挥的功用，还不到小小鸽子的1/10~１/４。

——看来，人真是天生不会飞的。

扑翼机兴许只是一种设想，虽然我们现在有好多的设计图，但要想真正变成现实,还要我们不断地努力。

有趣的是,无意插柳柳成荫,扑翼机没有产生，人们用人力作扑翼飞行试验时，却派生了另外一种飞行器——滑翔机。

五、课外拓展:胡铃心首届“中国青少年科技创新奖” 第八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛
特等奖、第四届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛金奖、第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖、“飞向未来――国际太空探索创新竞赛”第一名、第二届全国未来飞行器设计大赛专业组一等奖、中国航天５0周年知识大赛一等奖、全国三好学生标兵、中国航空学会会员、中国航天科技集团一等奖学金、美国联合技术公司特别奖学金、江苏省高校优秀毕业设计一等奖、江苏省十佳青年学生、江苏省高校优秀共产党学生思考回答
理性与现实
员标兵、江苏省优秀共青团员、南京市好市民，这些重
量级的荣誉都属于南京航空航天大学一位硕士研究生
——胡铃心。

2005年1２月,胡铃心被评选为全国时代
先锋，接受了新华社、人民日报、光明日报、经济日报、
中央电视台等11家中央媒体的集中采访。

2006年11
月,经民主推荐和江苏省委选拔，胡铃心高票当选江苏
省十一次党代会代表，并成为本次大会江苏省最年轻的
代表和唯一的学生代表。

那么,究竟是什么原因使得胡
铃心先后六次获得国家级竞赛最高奖，在这些荣誉的背
后又有哪些不一样的故事呢？
米滨“鸟灵”可变扑翼机
六、昆虫和鸟类的扑翼飞行机理:
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，ＭicrｏAir/Aerial Ｖ
ehiｃle)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
激励鼓励
探究扑翼飞行
举足轻重的。

ﻫ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。

ﻫ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。

当前飞或后飞时，昆虫的拍动平面是向前或向后倾斜的，这与直升机的情况相似。

ﻫ悬停飞行时的拍动平面是水平的，平均气动力是垂直向上的。

前飞时的拍动平面是向前倾斜的。

由于拍动平面向前倾斜,悬停时的向前拍动变成了前飞时的向前下方拍动,悬停时的向后拍动变成了前飞时的向后上方拍动。

习惯上，各种飞行姿态的向前的拍动统一称为下拍，反之向后的拍动称为上拍（或上挥）;拍动平面内的运动称为“平动”(事实上是沿周向的往复运动)，前后拍之间的翻转称为“转动”。

ﻫ拍动中的“平动”可以分为三个部分：起始阶段的加速运动、中间阶段的等速运动和结束阶段的减速运动。

拍动中的“转动”可以分为二个部分：下拍结束阶段与上挥起始阶段翅膀的向前转动，上挥结束阶段与下拍起始阶段翅膀的向后转动。

拍动中的“转动”模式可以有三种：对称模式、超前模式和滞后模式。

若转动的一半在上一个拍动的结束阶段完成,而另一半在下一个拍动的起始阶段完成，则称为“对称模式”;若将转动提前,转动的大部分在上一个拍动的结束阶段完成,而剩余的小部分在下一个拍动的起始阶段完成，则称为“超前模式”;若将转动推后，转动的小部分在上一个拍动的结束阶段完成,而其中的大部分在下一个拍动的起始阶段完成,则称为“滞后模式”。

昆虫和鸟类扑翼飞行的高升力机理研究与分析是基于某些昆虫和鸟类翅膀拍动的实验和理论计算得到的。

不同的昆虫和鸟类，它们翼的形状、运动的雷诺数和拍动的频率可能不尽相同。

只要扑翼运动的方式大致相同，则可以认为利用上述的机制和分析结果来解释其升力机理。

在上述的分析过程中，均假设动物翅膀是一副刚性
板，不考虑翅膀变形。

这对某些小昆虫的情况是较为合
理的,但对其它一些昆虫和鸟类的情况则有偏差。

因为后
者的翅膀在拍动过程中的变形是显著的，其影响程度有
待进一步研究。

某些昆虫有两对翅膀，对其升力的机理
和对两对翅膀相互作用的研究,需要更多显示实验和更
为细致的观测,才能给出更准确的运动规律和特性。

ﻫ昆虫和鸟类扑翼飞行机理的研究，对于生物学、
仿生工程学的研究和微型飞行器的研制有着重要的启
示作用和引导作用。

七、小结：下节课每人制作一架扑翼机。

为下节做准备
板书设计:
一、扑翼机：展示样机
二、扑翼机的设想:
三、制造扑翼机:
四、扑翼机的难题:
五、课外拓展：胡铃心
六、昆虫和鸟类的扑翼飞行机理：
七、小结：
学生姓名表现性评价过程性评价发展性评价
课后反思:。