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荷花開合機械裝置

發布時間:2024-10-03 04:11:50

1. 鳥和飛機仿生學的資料

仿生學是一門模仿生物的特殊本領,利用生物的結構和功能原理來研製機械或各種新技術的科學。日常生活中的很多發明都來源於自然界的仿生原理,飛機的設計製造也不例外。

機翼曲線與鳥類。1800年左右,英國科學家、空氣動力學的創始人之一凱利,模仿山鷸的紡錘形,找到阻力小的流線型結構。凱利還模仿鳥翅設計了一種機翼曲線,對航空技術的誕生起了很大的促進作用。同一時期,法國生理學家馬雷,對鳥的飛行進行了仔細的研究,在他的著作《動物的機器》一書中,介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關系。德國人亥姆霍茲也從研究飛行動物中,發現飛行動物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。人們通過對鳥類飛行器官的詳細研究和認真的模仿,根據鳥類飛行機構的原理,終於製造了能夠載人飛行的滑翔機。

雷達導航與蝙蝠。蝙蝠是在夜裡飛行的,還能捕捉飛蛾和蚊子;而且無論怎麼飛,從來沒見過它跟什麼東西相撞。為了弄清楚這個問題,100多年前,科學家做了三次不同的試驗證明,蝙蝠夜裡飛行,靠的不是眼睛,它是用嘴和耳朵配合起來探路的。它能夠用嘴發出超聲波後,在超聲波接觸到障礙物反射回來時,用雙耳接收到。科學家模仿蝙蝠探路的方法,給飛機裝上了雷達。雷達通過天線發出無線電波,無線電波遇到障礙物就反射回來,顯示在熒光屏上。駕駛員從雷達的熒光屏上,能夠看清楚前方有沒有障礙物,所以飛機在夜裡飛行也十分安全。

翼尖小翼與鷹隼。飛機在飛行中由於上下壓差的不同,翼尖附近機翼下表面空氣會繞流到上表面,形成翼尖渦,致使翼尖附近區域機翼上下表面的壓差降低,從而導致這一區域產生的升力降低。這是產生誘導阻力的根源。人們通過長期觀察自然界大型鳥類,比如鷹和隼,發現它們在飛行中展開翅膀向上偏折翅尖羽毛以減小阻力,從而實現遠距離滑翔。受此啟發,有專家提出在翼尖加裝短板來減小誘導阻力的想法。後來,設計師們不斷研究,發明了翼尖小翼,並將其安裝在運輸飛機上,以減小飛機的阻力。

機身蒙皮與蒙古弓。飛機的機身是由蒙皮包裹的,然後再將受力傳遞到翼梁和翼肋。同時,蒙皮的完整性也影響著飛機整體的氣動性能。因此,蒙皮的強度關繫到整架飛機的結構安全。數百年前蒙古鐵騎的戰弓引起了設計師們的興趣。為適應馬上作戰,蒙古弓要做的短小,但又要保證弓的強度。聰明的古人採用了復合材料的方法,他們用水牛角和鹿腱來加強弓的強度。設計師們由此獲得啟發,將玻璃纖維與鋁合金相結合,完成了適應現代大飛機要求的復合材料。

機翼震顫與蜻蜓。飛機在高速飛行的時候,機翼會發生顫振現象。也就是說,飛機的翅膀會不由自主地振動,這種有害的振動可能造成翼折人亡的慘劇。被譽為昆蟲里「飛行之王」的蜻蜓,它在振翅飛行時,也會遇到有害的顫振現象。但是,神奇的造物者賦予了它們消除這種現象的方法。蜻蜓每一片翅膀前緣的上方,都有一塊加厚的深色角質層或稱色素斑,叫翅痣。這就是它們消除顫振隱患的特殊裝置。科學家虛心向蜻蜓學習,在飛機機翼前端的邊緣,像打補丁一樣,安裝了一塊長方形的金屬板,稱為抗震顫裝置。昆蟲的小技巧,幫助人類解決了大問題。

機翼表面與海鳥。海鳥可以通過喙部察覺出空氣中的陣風荷載量(Gust Load),並通過調節翅膀的形狀抑制升力。運用此原理,新型的空客A350 XWB通過安裝在機頭的探測器可以檢測風力並利用其可移動的機翼表面提高飛行效率。此設計可以進一步節能減排。

飛機塗料與鯊魚皮。自適應表面的設計與開發是飛機設計具備顯著環境適應性的領域,要從自然界尋找靈感。今天的民用客機,40%的阻力可歸結於湍流邊界層。連續的自適應表面可以破壞這層湍流然後消除蒙皮摩擦阻力。拉條(飛機表面順氣流方向的一行小溝)可以減少4-7%的蒙皮摩擦力。但是拉條很容易損壞,所以是個重大工程問題。不過,德國弗勞恩霍夫研究所設計了一種塗料,模仿鯊魚皮並加入了類似拉條的小溝,可以用蠟紙版作為飛機最外側塗層。該塗料包含納米件,保證它可以抵擋紫外線而改變溫度。研究所表示該塗料應用到飛機上可以每年節省448萬噸燃油。

機艙設備與荷葉。在現在的進化階段,荷葉表面的角質可以使其表面的雨水滾落並帶走污濁以保持自身的清潔與乾燥。這就是「荷花效應(the Lotus Effect)」。荷葉的這種特性激發了人們在機艙設備塗層設計上的靈感。這種塗層可以使水分以滾珠的形式流走並同時去除污物。這樣就提高了飛機的清潔度,同時還能省水,減重,降耗並減少碳排放。此靈感已經在空客飛機上的衛生間得到了應用。在未來,座位和地毯的材料也很可能被這樣設計。

列陣飛行與大雁。在自然界中,大雁遷徙時會列陣集體飛行以節省能量並增加飛行距離。列陣飛行時,領頭雁的翅膀會產生漩渦狀氣流,其後的雁就會因此得到額外的升力,也就是說會省力。機翼也可以有同樣的效果,稱之為「尾渦」(Trailing Vortex)。軍用飛機經常利用列陣飛行減少能耗。目前,客運噴氣式飛機出於安全考慮,還沒有使用這種方法。

飛機降落與蒼蠅。蒼蠅一旦起飛,可在0.15秒內加速至每小時10公里的速度。蒼蠅飛行時的轉向角速度可達每秒6個旋轉,即2160度。蒼蠅還能垂直上下飛行,甚至倒退飛行,即使因撞到障礙物而突然失速,也可以在幾毫秒內恢復飛行。不管在哪種表面,蒼蠅都能輕巧地達成零速度著地。昆蟲學家研究發現,蒼蠅的後翅退化成一對平衡棒。當它飛行時,平衡棒以一定的頻率進行機械振動,可以調節翅膀的運動方向,是保持蒼蠅身體平衡的導航儀。科學家據此原理研製成一代新型導航儀--振動陀螺儀,大大改進了飛機的飛行性能LlJ,可使飛機自動停止危險的滾翻飛行,在機體強烈傾斜時還能自動恢復平衡,即使是飛機在最復雜的急轉彎時也萬無一失。

機翼結構與蝴蝶。蝴蝶可謂是地球上最精美的生物之一,但其華麗的外表也掩飾了其復雜精細的翅膀結構。這些翅膀可是它們高效飛行的利器。它們柔軟的外膜和血管時緊時松,使其能在任何飛行階段都收放自如。同樣,空客工程師已研發出可以在飛行中自動翻轉的機翼。如果可以控制其轉動,那麼飛行效率將得到提高,能耗也會降低。目前,工程師們正在研究是否能夠效仿蝴蝶的微毛細血管翅膀結構,在機翼設計中採用小型可移動表面及靈活的內部組件,從而提高飛行效率。

氣動雜訊與貓頭鷹。經歷了2000萬年的進化,如今,貓頭鷹已擁有鋸齒狀的翅羽以及絨毛狀的腿部羽毛。這可以幫助它們最大限度地減少氣動雜訊。盡管相比於40年前的飛機,現代飛機的雜訊已經降低了75%,空客工程師仍希望通過進一步的研究,揭示貓頭鷹靜音飛翔的奧秘。新的創意包括:模仿貓頭鷹羽毛後緣的可伸縮式刷子邊緣及天鵝絨般的起落架塗層。

噴氣發動機與烏賊。根據牛頓第三定律,作用在物體上的力都有大小相等方向相反的反作用力。事實上,這一原理在海洋生物中也是早就存在的。比如烏賊(墨魚)、水母的反沖原理。烏賊遭到危險時,能從腔內噴出一束墨汁,一方面把水的顏色弄深,一方面提供反作用力向前迅速竄逃。飛機噴氣發動機推進的原理也是如此。噴氣發動機在工作時,從前端吸入大量的空氣,燃燒後高速噴出,在此過程中,發動機向氣體施加力,使之向後加速,氣體也給發動機一個反作用力,推動飛機前進。

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