为了飞到高层吸血,蚊子太拼了!

作者:蝌蚪君来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-08-26

蚊子:就算上天入地,也要吃饭。

有人为了躲蚊子,搬到了18楼,结果还是有蚊子!这是咋回事?

这都怪你太低估蚊子的飞行能力啦!

微信图片_20200826120812

图片来源:dy.163

美国的科学家早在2013年就通过垂直粘网在 290米的高空捕获到蚊子,究竟蚊子能飞多高目前尚未定论。

虽然蚊子翅膀振动一次划过的角度只有40度,甚至不及蜜蜂的一半,但是它的振动频率高达800次/秒,远高于同体型的其他昆虫。

难道这就是蚊子可以飞很高的秘诀吗?今天我们就来聊聊蚊子特有的飞行机制吧~

微信图片_20200826120819

图片来源:timgsa

蚊子的飞行动力从哪儿来

蚊子身形细长,翅膀也如桨叶般狭长轻薄,还有一对“平衡杆”,是由一对翅膀退化后形成的,在飞行中能保持平衡。

英国常年研究蚊子的科学家理查德·邦弗瑞及其同事在研究蚊子飞行之前,就已经知道多数昆虫类群飞行的基本原理,即通过振动翅膀,造成翅膀上表面压强变低而下表面压强变高,由此产生缘空气涡流,获得与重力抵抗的升力。

前缘涡流是振翅时翅膀前端边缘处形成的如海浪般翻涌的空气气流,对昆虫的飞行十分重要。而蚊子因其振翅方式的特殊性,飞行机制不止于此。

微信图片_20200826120823

蚊子振翅时身体周围的空气涡流,图片来源 Bomphrey et al.

当研究者用八个不同角度安置的高速摄像机拍摄蚊子的飞行并放慢反复回看时,发现蚊子在半次振动间隔会转翅膀

微信图片_20200826120828

蚊子翻转翅膀,图片来源参考文献[2]

通过进行空气动力学模拟分析,研究人员认为蚊子独特的飞行方式除了产生前缘涡流的升力外,还因为反转翅膀的转动过程获得额外的升力,即后缘涡流和旋转阻力。

微信图片_20200826121605

蚊子飞行的空气动力学模拟分析,图片来源参考文献[2]

蚊子飞行机制大揭秘 

当翅膀向下做平动时,翅膀前端会形成前缘涡流获得升力,翅膀下压倾斜、翅膀前低后高处于俯势时,翅膀末端会形成缘涡流,此时受力又会达到一个短暂的峰值,后缘涡流是转动过程中气流在尾端因为“尾流捕获”机制形成的涡流,而“尾流捕获“是翅膀后续动作作用到离开物体的紊乱旋涡流后产生的气流变化。

半次振翅完成后翅膀开始回旋转动,过程中翅膀表面有空气对流,利用气压差获得旋转带来的升力,这被称作转阻力,翅膀也会相应发生形变尽可能贴近气流,翅膀形变也会帮助增强前缘涡流。

微信图片_20200826120835

蚊子飞行动作图解:蓝色为前缘涡,紫色为后缘涡,图片来源 Laura Miller

后缘涡流和旋转阻力这两种获得升力的大小与飞行速度无关,但会受到翅膀形状和转动的影响。清华大学的张钧铎、黄伟希等人通过数值模拟计算,得到的结论是后缘涡流提供的升力比前缘涡流提供的升力还要大。这样,就不难理解蚊子对前缘涡流的依赖减小、竖直方向的平动不必动作太大了。

同时,蚊子高频振动需要高惯性力,似乎并不是长期飞行的绝佳方式,这一点科学家至今未给出选择性优势补偿的详细解释。

但是目前已经可以知道,翻转翅膀不仅能够避免振翅回收时的向阻力,而且还会因为翻转获得升力,弥补振动角度小的不足,因而在省力方面可能并不处于劣势。相信耍过扇子的朋友更能理解平面反转减少阻力的效果。

蚊子独有的飞行的模式能够减小阻力、给出更大的升力,这或许对于我们开发仿生小型、微型飞行器方面的工作有所启发。

只是仿生技术中高频振动带来的噪声影响可能需要继续想办法解决,相信不久的将来我们对转动扑翼运动学的研究会有更大的突破和提升。

至于蚊子嘛……这世上愿意这么不辞劳苦、排除万难,也要陪伴你左右的,除了蚊子只怕也不多了,要珍惜啊!


参考文献:

[1] 蚊子飞行空气动力学原理很独特. 科技日报.

http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2017-03/31/content_366348.htm?div=-1

[2] Richard J. Smart wing rotation and trailing-edge vortices enable high frequency mosquito flight. Bomphrey, nature, 2017. 

https://www.nature.com/articles/nature21727

[3] 张渴望. 仿生扑翼微型飞行器姿态控制方法研究,电子科技大学.

[4] 张钧铎,黄伟希. 涡与蚊子飞行机制,清华大学工程力学系,2019.

[5] 为了能到高层偷袭你,蚊子特意修炼了涡旋秘籍. 中国科普网.

http://www.kepu.net.cn/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2020/202006/t20200612_486101.html


扫码加蝌蚪五线谱微信