博物志略 | 藏在蜻蜓翅膀上的秘密

前言

每个人都有一个亲近大自然的童年，你还记得记忆深处，那些陪伴过你的小动物和小植物吗，亦或是刨坑挖土，上树下河的往事？

今天，我们开启了一个全新的专栏 —— 博物志略 Natural History，抛却俗世的纷扰嘈杂，重返纯真美好的童年。

在这个系列里，我们将讲述大自然的万千事物，它们到底有着怎样的美妙和神奇，又伴随着哪些科学的原理。

来开启我们的博物之旅吧！

从一只蜻蜓说起

昨天，娃妈带着 Rocky 去采摘喂蚕宝宝的桑叶，意外的发现了一只受伤的大蜻蜓 dragonfly：

一只复眼受伤的蜻蜓

娃妈拍了几张照片，把它放在了灌木丛下面。

蜻蜓是捕食害虫的，不知这只蜻蜓能不能伤愈再次飞行。

作为一种非常古老的生物，蜻蜓的元祖起始于四亿年前的泥盆纪，也是少有的经历了数次生物大灭绝后依然幸存下来的物种，并一直延续到了今天。

几亿年的漫长进化，让看起来弱不禁风的蜻蜓具备了高超的飞行能力，蜻蜓是飞的最快的昆虫之一，原因就在于它有着两对又大又灵敏的翅膀。

仔细观察一下蜻蜓的翅膀，你有没有发现什么特别的地方？

翅膀上的奥秘

细心的小朋友可能已经发现了，在蜻蜓每一扇翅膀的翅尖上缘，都有一个暗色的小格：

Pterostigma 翅痣 | Wikipedia

这种暗色的小格子叫做 Pterostigma，我们称之为 翅痣 或 翅眼。

不要小看这个不起眼的特殊之处，它是蜻蜓在漫长的进化过程中为了适应高速飞行而生成的秘密装备。

那么翅痣究竟有什么作用呢？

由于蜻蜓的飞行速度很快，它的两对翅膀在高速的前进过程中，会形成一种称为 颤振 flutter 的空气动力学现象：

颤振是气体动力学中一种气动弹性现象，飞行器结构在匀直气流中，由于受到空气动力、弹性力与惯性力三者的共同作用，而产生一种自激振动

Wikipedia

如果颤振过大，会严重影响物体正常的飞行，在这方面，人类曾有过生命的教训。

来自蜻蜓的灵感

洛马的 p-38 “闪电” | Wikipedia

上图是二战时期由美国洛克希德公司生产的一款双引擎战斗机，在二战中战功赫赫。1943年，成功击落了日本联合舰队司令山本五十六的座机。

但在设计之初，p-38 的原型机由于颤振问题出现过重大的事故：

在试飞时 YP-38 的尾部出现严重的振颤问题。在高速飞行达到 0.68 马赫，尤其是俯冲时，YP-38 的尾部会开始剧烈振动并且导致机头沉重而有下垂倾向。

在这个动作下它会发生压缩效应及失速而导致控制面锁死，飞行员只能跳伞逃生，或等飞机降低到大气密度较高的低空时再试图挽救。

在 1940 年 11 月 4 日的一次飞行中，一架 YP-38 的尾部在俯冲时突然解体，飞行员 Ralph Virden 牺牲。

Wikipedia

正是由于颤振，使得高速飞行的飞机机翼产生了振动，飞的越快，振动就越强烈，严重时就会造成机毁人亡的悲剧。

颤振一度成了令工程师们头疼的难题。

后来，人们发现蜻蜓在高速飞行时，可以依靠翅痣有效的避免颤振，从而保持稳定的飞行。

通过对翅痣进一步的研究发现，这是一块加厚的含有液体的空腔，失去了它，蜻蜓的飞行就不再稳定了。

人们从这里得到了极大的启发，模仿蜻蜓的翅痣，在机翼的前缘末端加装了类似翅痣的调整片，从而解决了这个难题。

随着飞机工业的发展，飞机的设计也越来越复杂，气动弹性问题一直是工程师关注的重中之重，颤振问题及其解决方案也变得更加多样化。

这种模仿动物或植物特殊本领的方式形成了一门专门的科学，就是 仿生学 Bionics。

仿生学目前在工程领域有着广泛的应用和成功的案例，尤其是在仿生机器人方面。

来看一个最近很著名的仿生蜂鸟：

AI 仿生蜂鸟 | 普渡大学

为什么要模仿生物？娃爸认为是大自然拥有真正的鬼斧神工，使得万千生物在 自然而然 中就有了非凡的功能，这或许也符合我们祖先“道法自然”的古老哲学思想吧。

我们下期见～

今天我们还知道了以下单词的含义：

• dragonfly 蜻蜓
• Natural History 博物学
• pterostigma 翅痣
• flutter 颤振
• Bionics 仿生学

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