動物飛行

飛行動物類羣在動物進化發展的過程中，昆蟲是最先獲得飛行能力的。在脊椎動物方面，中生代的翼龍是著名的能飛行的爬行動物，但已於6800萬年前絕滅。飛蜥、鼯鼠等都具有不同程度的滑翔能力。鳥類和哺乳動物中的蝙蝠是獲得完善飛行能力的高等脊椎動物類羣。

動物軀體的結構在適應飛行的過程中發生過顯著的變化。就飛行動物的主要飛行器官──翼的結構來説，也表現出從簡單到複雜，從低等到高等這一發展歷程。一些作短距離滑翔的動物還沒有形成真正的翼，僅是軀體的某些部分變形成為寬闊的膜狀物，藉以在空氣中支撐體重，進行滑翔。例如：飛魚的“翅膀”實為發達的胸鰭，借尾鰭劇烈擺動擊水而衝入空中，靠胸鰭的快速擺動可在18秒內貼水面滑行100～150米；飛蛙的前後趾間生有寬大的膜蹼，攀爬樹端跳躍時靠腳蹼滑翔數十米；飛蜥的體側皮膚擴張成翼膜並與四肢連接，可滑翔60～70米的距離。昆蟲、鳥類和蝙蝠是具有撲翼飛行能力的動物，在進化過程中以不同的途徑獲得了飛行器官，昆蟲的翅膀生於第2與第3胸節背方，由1或2對有彈性的翼膜構成，鳥與蝙蝠的翼則由前肢演變而來。蝙蝠前肢的指骨特別長，整個指骨、肱骨、後肢和尾骨間均覆有薄而柔韌的皮膚膜，借前肢運動揮動皮膜而實現飛行。

鳥翼的構造和功能鳥翼 （圖1）是適應飛行的主要器官，鳥翼的骨骼薄而輕，並有充氣現象。很多骨骼為適應飛行生活而併合和消失。這特別表現在前肢變形方面：手骨（腕骨、掌骨和指骨）簡化而併合，前肢僅能在一個平面上做折翅和張翅的關節運動，因而有利於在胸肌支配下形成一個有力的抗擊空氣的整體。翅上着生的毛羽是翼的重要組成部分，其中在手骨上着生的稱為初級飛羽，在前臂上着生的稱為次級飛羽。它們在扇翅時產生不同的力。前者產生推力，後者產生升力。此外,在鳥翼的翼角（腕部）生有一小簇羽毛,也對飛行的控制起重要作用。每一支飛羽都由羽軸和羽片構成。羽軸的基部深入皮膚內，羽片由羽軸兩側平行伸出的很多羽枝構成。每一羽枝兩側密生成排的羽小枝，上有鈎突，彼此鈎連，因而構成堅韌而富有彈性的羽片。飛羽的結構對鳥類飛行的適應還表現在每一羽的外羽片狹窄，內羽片寬闊，各羽從外向內逐次覆蓋。羽軸在氣流作用下還略有旋轉能力，因而當鳥類撲翼飛行時飛羽之間隨揚翅而出現裂隙，便於空氣通過，而在扇翅時各羽連合成嚴實的翼面以獲得最大的動量。整個鳥翼的背部為弧面，空氣流過時能產生大的升阻比，有利於飛翔。

定翼飛行器的探索19世紀70年代以後，人們逐漸把注意力集中到定翼飛行器的研製，飛行探索進入定翼飛行器研究階段。首先面臨升力面的合理選擇問題。解決的途徑有二：一是對鳥翼構造及其滑翔規律進行考查；二是對風箏等升力面的空氣動力特性進行探討。然後將從兩方面得來的知識付諸實驗。鳥翼是天然有效的升力面，定翼飛行器研製者們紛紛仿製鳥翼並在飛行實踐中檢驗。鳥的弓形曲面翼幾乎成為早期定翼飛行器的標準翼型。而空氣動力學家們也大力從事這方面的研究和實驗。英國空氣動力學家H.菲利普斯通過原始的風洞實驗繪製出一些曲面翼型。美國航空先驅S.P.蘭利曾將鳥翼掛在旋轉臂上進行實驗。人們力圖通過這些研究和實驗找出適合現代飛行器使用的翼型，後來又通過對鳥翼的系統研究獲得有用的空氣動力學知識，從而擺脱了對鳥翼的單純模仿。但是人們對鳥類飛行秘密的探索並未終止，空氣動力學家Н.Е.茹科夫斯基、滑翔大師O.李林達爾、飛機發明人萊特兄弟,都對鳥類作過研究。論述鳥類飛行的著作也不斷出現，茹科夫斯基的《論鳥的飛翔》第一次分析了飛行動力學。還有一些人則從仿生學角度出發，直接從飛行動物中尋找範本。19世紀50年代出現的大型滑翔機就是模仿信天翁等大翼展海鳥的形態設計成的。李林達爾在進行大量滑翔試驗的同時，也曾對鳥的飛行進行過系統研究。他的《鳥的飛行──航空的基礎》等著作為後來的飛機研製者提供了寶貴的資料。

鳥與飛機飛機飛行與鳥類飛行有異曲同工之妙。鳥的飛行技術為飛機所沿襲和發展。把鷹和飛機來比較，兩者都有相似完整的一套改善空氣動力性能的裝置：①小羽翼和前緣縫翼。鷹鼓翼時使翼的連結角增大而增大升力，而翼角的小羽翼與翼體之間構成的縫隙則使氣流緊貼翼的背面流過，防止湍流發生。飛機機翼的前緣縫翼在起落和大迎角飛行時張開，使下翼面的高壓氣流經翼縫流到上翼面，吹除附面層中的紊流，提高臨界迎角並防止失速。②開縫翼尖和翼梢小翼。鷹外翼的開縫翼尖實為一單獨小翼，起降低翼尖尾渦強度的作用；飛機則為減弱翼尖渦流強度和誘導阻力而設置翼梢小翼。③襟翼。鷹的內翼前緣在飛行中下垂，使翼的彎度增加以提高升力，而飛機的前緣襟翼為相同目的而設置。

參考書目

W. N. Mcfaroland et al.,Vertebrate Life,Macmillan Publ.Co.,New York,1979.

J.C.Weltu, The Life of Birds,Saunders College Publ.,Philadelphia,1979.

J.Z.Young, The Life of Vertebrates,Clarendon Press,Oxford,1981.