蜻蜓,飞行界的王者,科学家研究多年,仍未完全搞清楚蜻蜓的秘密

2021-02-27 19:33:59 魅力科学君

说起会飞行的动物,可能很多人第一时间会马上想起鸟类,然而如果要论飞行技术,那鸟类可能就得让一让了,毕竟早在3亿多年前的石炭纪,昆虫就已经飞向了蓝天,而在那个时候地球上根本就没有鸟类。

蜻蜓,飞行界的王者

经过3亿多年的演化,地球上现存的昆虫早已拥有了令人惊叹的飞行能力。在它们之中,相信大家最熟悉的应该就是蚊子了,虽然我们对蚊子非常反感,但我们不得不承认,这种昆虫的飞行技术确实很强,在很多时候,它们都会凭借非常灵活的空中机动来轻松逃过我们的“魔掌”。

然而蚊子却有一个挥之不去的“噩梦”——蜻蜓,作为一种食肉性昆虫,蜻蜓最爱吃的食物之一就是蚊子,根据昆虫学家提供的统计数据,蜻蜓捕食蚊子的成功率高达90%以上,这足以说明蜻蜓的飞行技术远远凌驾于蚊子之上。实际上,蜻蜓的飞行技术可以说是自然界的顶级水平,正因为如此,它们也被称为飞行界的王者。

蜻蜓的飞行技术到底有多强?

蜻蜓的飞行速度可以高达每小时50公里,这比大多数昆虫要快很多,它们可以在高速运动中很快地静止,并且稳稳地悬停在空中,也可以在极短的时间内从悬停状态转为高速飞行。在飞行过程中,蜻蜓还可以进行毫无征兆地“急转弯”,在追捕猎物时,蜻蜓的瞬间加速度可以达到9g以上,这无疑极大地提升了它们的捕猎成功率。

蜻蜓飞行的方向可以是空中的任意方向,你没有看错,是任意方向,不管是向下还是向上,向左还是向右,甚至它们还可以直接倒着飞行。

除此之外,蜻蜓还可以一次性飞行非常远的距离,人们早已观测到有些蜻蜓能够穿越印度洋迁徙至非洲,而在2016年时候,一项来自罗格斯大学生物学家的研究表明,有一种薄翅蜻蜓竟然能够横跨太平洋,其飞行距离可以高达6440公里。

假如从未见过蜻蜓的话,那么我们很可能无法想象出自然界中居然会存在着飞行技术如此高超的昆虫。那么他们是怎么做到的呢?虽然科学家研究多年,仍未完全搞清楚蜻蜓的秘密,但还是有很多收获,下面我们就来看一看。

蜻蜓的秘密

作为飞行界的王者,蜻蜓拥有四只巨大的翅膀,它们的翅膀非常轻薄,最薄处的厚度可以小于2微米,在将其放大之后可以看到,蜻蜓的翅膀拥有一种特殊的网状翅脉结构,其“主脉”为四边形网络,而“次脉”多为五边形和六边形,科学家认为,这种结构让蜻蜓的翅膀具备了很强的韧性。

上图为科学家利用扫描电子显微镜观测到的蜻蜓翅膀的微观结构,可以看到,蜻蜓的翅膀表面布满了纳米级的柱状结构,它们不仅可以在空气流过翅膀表面时直接影响流体动力学,还使得蜻蜓的翅膀具备良好的疏水性,很难沾上水以及灰尘。

值得一提的是,在过去的日子里,“颤振”一直是人类在飞行器领域的一大难题,所谓“颤振”是指在飞行过程中,飞行器的机翼在空气动力、弹性力以及惯性力的综合作用下发生的一种有害的振动,飞行器的速度越快,“颤振”就越强烈,在严重的时候,甚至还会造成机翼直接折断。

理论上来讲,像蜻蜓这种巨大的翅膀同样也会发生“颤振”,但实际上,蜻蜓却丝毫没有受到“颤振”的威胁,这是为什么呢?

科学家经过研究后发现,原因就是在蜻蜓翅膀的前缘,存在着一个被称为“翼眼”的加厚区域(如上图所示),它可以有效地消除蜻蜓在高速飞行时产生的“振颤”。在接下来的日子里,人们便模仿了蜻蜓,在飞行器的机翼上也增加了类似的结构,从而一举克服了“颤振”这一难题。

研究表明,蜻蜓的每一只翅膀都是由独立的肌肉控制,并且它们还可以旋转,这就意味着蜻蜓在飞行的时候能够单独控制前翅和后翅的倾角以及翅膀振动的幅度和频率,通过不同的相位差,就可以实现各种飞行需求。

例如当蜻蜓的后翅领先前翅4分之1周期的时候,蜻蜓就可以获得很大的升力,从而可以稳稳地悬停在空中,当后翅比前翅提前90度,就可以获得很大的推力,从而高速飞行,当所有的翅膀同步时,则可以获得在某个方向上的最大推力,从而实现“急转弯”,而当所有的翅膀都停止振动时,蜻蜓则可以进入滑翔模式,科学家认为,滑翔模式就是蜻蜓能够进行超远距离飞行的秘密。

小结

蜻蜓高超的飞行技术无愧于“飞行界的王者”这一称号,而它们也是我们人类最好的老师,就目前来看,虽然蜻蜓的秘密我们仍未完全搞清楚,但是科学家对于蜻蜓的研究却从未停止过,期待在不久的将来,我们人类的飞行器也能像蜻蜓一样在天空中飞行。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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