鸟类滑翔时尾部的作用
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了英国一项新研究，该研究通过追踪鸟类滑翔时空气的运动，发现了鸟类与固定翼飞行器在滑翔时的差异。研究指出，鸟类滑翔时会产生两组涡旋，而飞机只产生一组。鸟类的尾部涡旋产生额外升力，有助于保持平衡并减小空气阻力。这项研究为设计小型飞行器提供了新的思路，可通过主动调节外形来提高总升力并减小阻力。
最近英国一项新的研究[1]显示了固定翼飞行器（例如飞机）和鸟类在滑翔时之间的一些差异。研究人员使仓鸮，灰林鸮（均为猫头鹰的一种）和苍鹰，滑翔经过一团充满氦气的小气泡，并在这些鸟类经过气泡团的一瞬间，打入一束光，从而可以追踪鸟类经过后气泡的运动。根据气泡的运动轨迹，研究人员可以重现出鸟类经过后空气运动的全过程。
在上面的动画中可以看到，鸟类经过气泡后，空气的运动呈现出明显的涡旋，这种涡旋称为翼尖涡。飞机飞行时机翼的两侧也会出现翼尖涡。当鸟类的翅膀或者机翼产生升力时[3]，下翼面处空气的压强比上翼面高，在上、下翼面这种压强差的作用下，下翼面的空气就会绕过翼尖向上翼面处流动，这样就使得下翼面附近的空气流动方向由机翼的翼根向翼尖偏离，而上翼面附近空气流动则由翼尖偏向翼根。如果机翼上产生的升力越大，这就意味着上、下翼面附近的空气压力差也越大，因而产生的翼尖涡强度也就越大。从飞机的后部向前看，右翼尖涡是逆时针旋转，左机翼的翼尖涡是顺时针旋转。
而在该项针对鸟类飞行的研究中，研究人员观察到了第二组涡旋，这组涡旋从鸟的尾部处产生并脱落。这是与固定翼的飞机是不同的。在飞机飞行时，飞机的尾翼有时需要产生负的升力，这种负升力对飞机的稳定是十分重要的。这是因为飞机在飞行中，飞机升力的位置会随着攻角和速度的变化而发生移动，飞机重心位置也因燃油消耗等原因而变化。因此，机翼产生的升力不可能在所有状态下都通过重心，因而存在一个不平衡力矩。因此通常��要飞机尾翼产生额外的力矩，从而维持飞机的平衡。
鸟类滑翔后产生的两组涡旋[2]
而在这点上，鸟类的滑翔与飞机的飞行是非常不同的。这是由于鸟类可以通过不停地调整身体来保持平衡，因此鸟类的尾部产生的第二组涡旋产生额外的升力并不会使得鸟类身体失去平衡。更重要的是，尾部产生的升力使得鸟类身体的各个部位所受到的升力更加均匀，从而可以减小身体受到的空气阻力。
[1]Usherwood, J.R., Cheney, J.A., Song, J., Windsor, S.P., Stevenson, J.P., Dierksheide, U., Nila, A. and Bomphrey, R.J., 2020. High aerodynamic lift from the tail reduces drag in gliding raptors. Journal of Experimental Biology, 223(3).
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-020-00418-5
[3]https://en.wiki pedia.org/wiki/Wingtip_vortices
[4]http://scienceinpoland.pap.pl/en/news/news%2C30252%2Caskscientist-what-white-line-sky-behind-plane.html
本文转载自微 信公 众号“CFD科普小站”
