物理百科让人像鸟儿一样展开双翅翱翔

发布时间：2019-03-15 18:18:00 来源：文档文库

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46 让人像鸟儿一样展开双翅翱翔

　　如今，人类虽然已经造出了飞机、火箭、飞船、航天飞机，但几千年来像鸟儿一样展开双翅，在蓝天中自由翱翔的向往却丝毫未衰。

　　千百次实践都已经证实，要求人类凭借自己的身体像鸟一样飞是万万办不到的。无论怎样用力地扇动双臂，都不能飞离地面。

　　难道仅仅是在于人类缺乏一对翅膀吗？不完全是。如果把野雉的体形按比例放大到像人一样，它也会像石头一样笔直地掉到地上。假如像西方神话中的伊卡洛斯一样给一名孩子粘上一对翅膀，翅膀的长等于身高，宽等于身高的四分之一。那么，这位新伊卡洛斯的双臂必须发出1.5马力的功率，约等于成年人最大持续功率的4倍。

　　体重、外形和功率在飞行中都起着一定的作用。任何生物想要飞行，首先要有一个足以抵消其体重的外力。这个外力是由空气提供的。在地球海平面高度，空气对任何物体的各个方向都有一个压强为1公斤/平方厘米的压力。为了获得升力，生物必须设法减小空气对它顶部的压力，以得到一个由下往上的净压力。

　　鸟儿和飞机都是依靠适当形状的翅膀在向前运动中获得外力的。飞鸟弯曲而后掠的翼尖使得从上面流过的空气要比下面的速度更快些，从而形成了一个向上的净压力。压力的大小与空气密度成正比，同时还与前进速度的平方成正比。没有运动，就没有升力；没有空气（例如在月球上），鸟儿也不能飞行。

　　要飞行除了要有速度，要有空气，还要有足够的翼面积。例如，每小时56公里的飞行速度可以获得每平方厘米约0.07公斤力的外力。翼展面积达到3000平方厘米，总共就可以获得2公斤的升力，足够托起一只一般的鸟了。假如前进的速度再增加，那么，只要较小的翼面积就能获得同等的升力；反之也一样。实际上，鸟类也根据它们的需要各有选择。例如，大蓝苍鹭为了涉水，长了一双又细又长的腿。为了在着陆时不致于将这双长腿折断，它必须飞得很慢。为此，苍鹭双翅的面积相对来说就比较大。另一方面，野雉需要在下层林木中作机动飞行，翅膀太大诸多不便。为了用它的那对小而且短的翅膀将自己保持在空中不掉下来，野雉飞得很快。我们可以比较一下有关的数据：大蓝苍鹭平均重3公斤，翼面积约0.5平方米；野雉的体重与翼面积之比是苍鹭的3倍，而它的飞行速度达每小时80公里，是苍鹭的2倍多。飞行跟其他物理动作一样要消耗能量。在没有摩擦力的情况下，一只处于水平飞行状态的鸟可以不费一丝力气无限期滑翔下去。但在实际上，由于空气阻力的存在，鸟儿在飞行中必定要拍打翅膀，消耗能量。根据空气动力学的分析，飞行中的阻力大约是升力的二十分之一。为了抵消阻力，一头苍鹭在飞行时必须以五十分之一马力的功率不断消耗能量，扇起团团气旋。同样外形的鸟，体重越重，必须为每公斤体重付出的功率就越大。如果将一只鸟向各个方向的尺寸都增加3倍，形状保持不变，它的体重和体积将增加到64倍，而飞行需要的功率则将增加到128倍。扭转这种趋势的唯一办法只有改变外形。例如，假如鸟的体形和体重都保持不变，只有翼面积增加到4倍，那么，它只要有一半的功率就可以飞了。在长途迁徙飞行中，许多鸟可以利用前面鸟扇动翅膀造成的上升气流节约一点能量。但在单独飞行的时候，体重和体形决定着飞行所需要的功率。

　　科学家发现，如果以同样的重量相比，活的生物体发出有用功的效率远比内燃机低得多，人所能输出的最大机械功只及等重内燃机的二百分之一。当年莱特兄弟制造的第一架飞机上发动机的输出功率是12马力。生物体要想获得同样的输出功率，得有一头大象来帮忙才行。

　　不过，生物的身体越小，输出功率有限的问题也越小。与大动物相比，动物的体重越轻，每公斤体重所具有的功率就越大。一匹体重400公斤的马能发出一马力的功率。如果以此为标准，逐步减少动物的体重，我们发现，体重每减少50%，能够输出的功率只减少40%。当减到30克以下时，你会发现，4000只老鼠的总功率是人的9倍，尽管两者的重量相等。

　　人作功的能力不如老鼠，这种计算结果颇令人尴尬，但并不奇怪。与大多数发动机和机器不同，动物体内肌肉发出的热比有用功还多，这些热量如果不能及时散发，就会使体温迅速升高到生物无法忍受的地步。由于热量的散发一般是通过表皮来实现的，因而生物产生的热量和机械功大致与其体表面积成正比。这样，功率比体重就成了体表面积比体积。小物体的表面积与体积之比大于物体的相应比值，这个简单的数学知识说明了生物体小比大效率高的原因。这样，随着体重的增长，飞行所需功率的增长比起生物本身所能提供功率的增长要快得多。除非生物的体形发生明显的变化，否则，体重轻的动物显然在飞行方面占有优势。尽管鸟类已经有了一万年的飞行史，但真正能飞的最重的鸟大鸨体重极少超过14公斤。像秃鹫这样的大鸟只能算是滑翔的鸟，部分要借助上升的热空气流。至于155公斤重的鸵鸟则从不离开地面。为了自卫，它选择了体积和陆地上的速度而放弃了飞行。

　　在自然界中，从来没有哪只重达90公斤的鸟能飞上天。创造这个奇迹的不是鸟而是人类自己。1977年8月23日，美国加利福尼亚州的一名工程师保罗·麦克里迪设计制造的“蝉翼神鹰”号人力飞机成功地飞上了天，赢得了5万英镑的“克雷默”奖。按规定，要赢得“克雷默”奖，必须围绕两根相距1.5公里的标杆不着地完成“8”字形飞行，而且经过起点和终点时至少要离地面3米高，飞机必须全部依靠驾驶者本身提供动力。“蝉翼神鹰”号的全部飞行过程持续了7分30秒。麦克里迪的成功之处，在于他制造出了一架翼展巨大而重量极轻的飞机。整架飞机，连机身加机翼只有31.5公斤，加上驾驶员布赖恩·阿伦的体重61公斤，共重92.5公斤。阿伦身高约1.8米，“他”的翅膀却有29米长，3米宽。大自然中是从来没有过如此不成比例的飞行物的。野雉的翼面积与体面积的平均比值略超过1，苍鹭为5，大鸨为13，而“蝉翼神鹰”号（连同驾驶员）的比值却高达90！而且，继“蝉翼神鹰”号之后，1979年6月12日成功飞越英吉利海峡的“蝉翼信天翁”号和1984年5月11日创造以2分40秒绕三角航线飞行1500米速度记录的“君王”号也都具有重量轻，翼面积大的显著特点。这是自然规律对我们的要求。人类已经依靠自己的智慧以多种方式克服了飞行的困难。但是，我们的梦想是像鸟儿一样，凭着自身的力量在天际高高飞翔，以逃脱危险，或者只是有了从自身的力量中找寻乐趣。想到自己为此要插上一对二三十米长的翅膀不免有点扫兴，但人既然在体重和输出功率方面都处于劣势的地位，唯一的出路就只有改变体形，增加翼面积。这是人类向自然界挑战所必须付出的代价。