鸟类飞行有哪些规律?


以翼载为横坐标,展弦比为纵坐标作图,可以发现:

海上滑翔鸟类普遍为大展弦比中低翼载

陆上翱翔鸟类普遍为中小展弦比中低翼载

猛禽普遍为中等展弦比中低翼载

高速猎手普遍为中高展弦比中等翼载

潜水鸟类普遍为中高展弦比中高翼载

飞行弱鸡普遍为小展弦比中高翼载

几种代表性鸟类俯视轮廓对比。

多数扑翼飞行动物(包括昆虫与蝙蝠在内)的展弦比为 3-4。对蜂鸟的研究表明这可能与驾驭扑翼产生的涡流场有关 - 翼根至 4 倍弦长处涡流场较为稳定,超过 4 倍弦长鸟翼即开始失速。

陆地上空的翱翔与海洋上空的滑翔不是一码事。利用(垂直方向的)上升气流翱翔的大型猛禽普遍 "选择" 展弦比较小的翼型。依靠(水平方向的)海风获得速度,再以速度换高度的信天翁等滑翔型海鸟则采用大展弦比翼型。

上图中纵坐标为重量 (牛顿),下方横坐标为巡航速度 (米 / 秒),上方横坐标为翼载 (牛顿 / 平方米)。

可以看到体重越大翼载越高,翼载越高巡航速度越快。

大雁天鹅等重型扑翼鸟类的巡航速度,因此要超过惯于借助上升气流翱翔的大型猛禽。然而,由于失速速度高,剩余功率低,此类重型扑翼鸟类的爬升率甚低,通常不超过 0.3 米 / 秒。

猛禽巡航速度较慢,但翼载低,剩余功率高,爬升能力强,故能以高度换速度,俯冲攻击迅速接敌。低翼载同时保证了高转向率,使得猛禽能够拉出比猎物更高的过载值。

类似地,穿花衣的小燕子巡航速度不快,却可依靠势能与动能的相互转换,完成令人眼花缭乱的高速机动。与现代化战斗机类似,其大过载转向能力来自对涡升力的充分利用。

慢飞与快飞都需要较高的功率,中速巡航的功率消耗最低,最长留空时间(最低功耗)速度要小于最远飞行距离速度。

巡航速度随体型增大而上升,但失速速度也相应提高,导致剩余功率随体型增大而下降。因此扑翼飞行鸟类的续航冠军是中等体型的鹬,其巡航速度 x 体脂率(燃油系数)的乘积最大,更小的鸟类巡航速度较低,更大的鸟类体脂率较低。

上图中的斑尾塍鹬可维持 60 千米 / 小时的速度,连续飞行超过一周的时间,"不加油" 航程达到 1.1 万千米。

鸟类的输出功率大致与体重的 3/4 次方成正比,体型越大功重比越小。

低翼载滑翔 / 翱翔鸟类在有风可乘时几乎不用拍击翅膀,飞行能耗仅为扑翼鸟类的 5-25%。

通过回收同伴尾流中的能量,人字形编队中除头雁外的成员,体力消耗可下降 12-20%。

鸟类拥有继承自远古祖先的高效呼吸系统,可以在连续长距离飞行时保证充足的氧气供应。

蝙蝠的哺乳类呼吸系统相比之下就较为拉垮,限制了其体型的进一步增大。

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