[分享]昆蟲的航太術

[分享]昆蟲的航太術

ζ火影ζ 於 星期日 九月 14, 2003 12:21 am


看看果蠅,牠可以迅速起飛、盤旋、俯衝又急轉彎……輕而易舉地進攻食物,再躲避人手的追殺。但牠是怎麼辦到的?牠輕薄的翅翼顯然與鳥類強健的翅膀作用不同。動物學家、航太專家、流力學者一直對動物飛行時,附近空氣流動的情況感到興趣。不過大致說來,這個問題至今尚未得到充分的解釋。因為我們很難對三維空間的氣流活動做出精確的描述——尤其是昆蟲翅翼周圍。昆蟲的翅翼特別的小,又動得特別的快、特別的複雜。一開始科學家以分析(穩態空氣動力學)和計算(Navier-Stokes方程式)的方式來探究昆蟲飛行的機制,但是這兩種方式卻無法解釋昆蟲起飛、停滯空中的行為,也無法完整地描繪昆蟲的飛行。



到了1980年代,研究人員改以直接測量的方式進行,將牠們的運動模式量化,才漸漸揭開昆蟲飛行神秘面紗的一角。



美麗的前緣渦流(leading-edge vortex)



如果我們將飛機的機翼縮小到大黃蜂翅翼的尺寸,再以黃蜂的速度飛行,那麼,根據穩態的空氣動力學計算,這架飛機的機身載重肯定比一隻大黃蜂小得多。除此之外,飛機雙翼平平穩穩地便可翱翔天際,但是昆蟲拍動、轉動的頻率卻高達一秒20次到600次。可見得,一般昆蟲翅翼的飛行原理跟飛機大大不同。但是,牠也不是機械式地一上一下做著單調的體操,牠的翅膀會朝不同方向、在不同的時機翻轉,並利用與空氣切角的變化和渦流的產生,做出各種飛行動作。



一開始科學家發現昆蟲翅膀會產生渦流,是藉由一對機器蒼蠅翅膀的協助。他們模仿果蠅翅翼做了一對25公分長的翅翼,由六部馬達推動它,讓它在具有黏性的礦油箱中,模仿果蠅的飛行動作。當然科學家得考慮到果蠅的實際飛行狀況,界定的方式就是讓兩者翅膀周圍之流體慣性力和黏滯力的比值相同――當實物和模型的慣性力對黏滯力比值相同時,兩者背後的物理意義也就相同。這個比值我們稱為雷諾數(Reynolds number)。



當科學家將機器蒼蠅的翅翼設定為盤旋的形態時,一個美麗的渦流在油箱中現身了:翅翼後邊有一道強大的下衝氣流;而沿著翅翼的根部一直到尖端,則出現一道橫向測流,在翅翼表面上方後端的2/3處流動;至於翅翼前緣,則出現一道以翅翼前緣為軸心的美麗渦流,帶著果蠅升空。



延緩失速(delayed stall)



對於飛機來說,機翼之所以能夠產生上升之力,是由於機翼與氣流之間的切角,促成白努力效應(Bernoulli’s effect)的產生︰當氣流遇上機翼,它會在機翼前端一分為二,而在機翼尾端會合。由於機翼上方的表面路徑較長,使得上方氣流流速較下方氣流快,造成上方壓力較下方低,機翼受力抬升,整個飛機就上升了。但是當切角過大時,上方的氣流無法沿著機翼表面行走,於是氣流與機翼分離,造成上升失敗,飛機失速下墜。



果蠅也很可能遇上同樣的問題。果蠅是由上述的美麗渦流帶著牠升空,而要有渦流必須先揮動翅翼。但是果蠅的翅翼在拍動時,會隨著位置而有不同角度的翻轉,於是翅翼前緣與空氣的角度會不斷變化,一旦切角過大,便會失速而下墜。但果蠅與飛機不同處在於,果蠅有「超高頻拍擊」的法寶。果蠅在快速翻轉翅翼的同時,也產生了快速旋轉的前緣渦流,這些渦流能支持果蠅繼續上升,不至失速墜落。只是這些渦流附在翅翼上的時間很短,一產生出來便會立即消散,但是由於果蠅快速拍動的關係,在前一個渦流即將逝去的同時,下一個渦流也產生了。於是果蠅拍動時總是有許多渦流像熱汽球一般支撐牠在上空盤旋。因此這些美麗而實用的前緣渦流便起了「延緩失速」的作用,讓牠安全度過每一個可能失速的難關。



牠也會投上拋球和下墜球



打過棒壘球的人應該知道,投手可以藉著棒球旋轉方向的不同,投出變化球。如果棒球向後旋轉拋擲而出,上方空氣流動加快、壓力降低,便能擲出上拋球。相反的,當棒球向前旋轉,下方空氣流動加快、壓力降低,便產生下墜球。



之所以發現果蠅「會投變化球」,是因為研究人員利用電子儀器測量機器果蠅拍擊時,發現這對翅翼在拍擊的起始和結束瞬間,產生了強大的力道,而這是無法以延緩失速解釋清楚的。力量的極大值發生在翅翼拍擊速度慢下來,並迅速轉向、反向拍擊的瞬間,因此這個轉向的動作必定大有文章。



如果果蠅翅翼反轉的時機是在拍擊動作之末,其產生的渦流逆於前進方向旋轉,產生的效果就如同上拋球;若翅翼反轉的時機遲至下一拍擊開始時,其反轉所造成的渦流順於前進方向,便產生如同下墜球的效果。其實,平面翅翼與立體圓球的功用原本是不同的,但是翅翼可以藉由旋轉而製造出與圓球相當的機制,促使昆蟲上升或下降。這個機制稱為「旋轉氣流」(rotational circulation)。



節約能源的尾波捕獲(wave capture)



另外,果蠅也很有節約能源的概念。果蠅在拍擊時產生的能量會散逸至空氣中,而這些散逸的能量果蠅卻能夠善加利用。



果蠅在每一次拍擊時都會擾動周圍的空氣,當這些擾動的空氣散逸至尾部,稱為「尾波」。尾波的結構複雜,而當翅翼在進行下一個動作時,便會穿過之前被攪動過的空氣,如此兩力相撞,產生的合力便形成另一個力度的高峰。因此尾波的能量不會平白散逸到空氣中,而能夠藉著下一拍擊再利用,稱為「尾波捕獲」。



即使「尾波捕獲」的動作必須出現在每一次拍擊開始時,蒼蠅仍然可以改變翅翼轉動的時機來操控力的大小和方向。如果翅翼轉向得早,那麼翅翼與尾波撞擊的角度就能產生一股強大的上升之力;倘若翅翼轉向得晚,則兩者撞擊之後便產生下降之力。



昆蟲與小型飛行器



這些昆蟲並不知道自己在做什麼,翅翼直覺地揮動幾下,便同時用上渦流製造、延遲裝置、旋轉環流以及尾波捕獲等航太技術;而為了操控如此複雜的飛行動作,牠們還自有一套完整的配備︰眼睛和後部的薄翼可以作為測定方位的迴旋儀,在翅翼上還有一排機械感測結構可以精確地校準翅膀旋轉的時間點、拍擊的振幅以及翅膀其他動作。就因著這些技術和配備,果蠅能夠朝牠們想去的地方飛行,而這些技術不僅用在運輸,還用來捕獲食物、保衛領地或是求偶。



科學家希望找到昆蟲在空中飛行的基本技巧,一旦找到了,真正好玩的才要開始――他們正準備研發一種拇指大小的飛行器,可以用在搜尋、救援、環境監控、地雷探測、星球探索等。因為儘管人們已經成功地製造出像小鳥一般大小的飛行器,但像蒼蠅一般大小的卻還飛不起來。



不過我們別忘了,大自然之中還有許多昆蟲,它們的構造、尺寸和行為應有盡有。小如薊馬大如鷹娥;有雙翼的如果蠅也有四翼的如草蜻蛉和虎螫——草蜻蛉飛的時候是四翼並用,而虎螫則是兩翅拍動外加兩個不動的大翅翼。而科學家煞費苦心從果蠅身上獲得的結論,又有多少是可以運用在這麼多種昆蟲身上的呢?更何況,我們只找出果蠅滯留空中作上下飛行的機制,一旦牠們移動時,又是用什麼飛行機制呢?



看來,昆蟲的舉手投足間,真是大有學問!








相關網址
» Nature對該實驗的報導
» 果蠅飛行時氣流示意圖
» 雷諾數的定義和數值


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http://www.sciam.com/2001/0601issue/0601dickinson.html

ζ火影ζ
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小列 於 星期四 九月 18, 2003 8:43 pm


大有學問........................................................ 驚訝

小列

 
文章: 585
註冊時間: 2003-07-24
來自: ~童話~






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