翼龍的體重與飛行原理研究

王宇航

【摘 要】大型翼龍的體型和飛行力學(xué)之間的關(guān)系在上世紀(jì)受到了相當(dāng)大的研究關(guān)注，但是卻因?yàn)橐睚埳飳W(xué)和飛行能力對(duì)此問題的闡述的爭(zhēng)議懸而未決。古生物學(xué)家認(rèn)為目前為止發(fā)現(xiàn)最大的飛行生物——風(fēng)神翼龍的體重為70-300kg之間，那么，風(fēng)神翼龍能長(zhǎng)到300kg這么胖嗎？從飛行理論的角度上看，完全是可以的。另外再?gòu)纳飳W(xué)角度來分析，可能也是可行的。

【關(guān)鍵詞】古生物 飛行動(dòng)物 風(fēng)神翼龍 生物學(xué)

1 有翼物體為什么會(huì)飛

有翼物體（火箭和導(dǎo)彈除外）飛行的原理基本就是以翅膀?yàn)檩d體，靠速度換升力。最常見的例子就是風(fēng)箏和紙飛機(jī)。飛行理論依據(jù)主要是伯努利原理和牛頓第三定律。

以飛機(jī)為例，對(duì)飛機(jī)整機(jī)做受力分析可以看出，飛機(jī)受到四個(gè)外力的作用，分別是向上的升力，鄉(xiāng)下的重力，向前的推力和向后的阻力。從受力分析可知，只有當(dāng)升力大于等于重力的時(shí)候，才能保證飛機(jī)不會(huì)掉下來。升力主要是由機(jī)翼提供。

升力主要來源于兩方面。第一，氣流在翼型前緣點(diǎn)被分為上下兩部分，最后在翼型后緣匯合。但因翼型上下表面形狀不對(duì)稱，氣流沿翼型上表面運(yùn)動(dòng)的距離長(zhǎng)，自然流速快，根據(jù)伯努利定理，速度快的氣壓小，這樣就形成下翼面壓強(qiáng)大于上翼面壓強(qiáng)，從而產(chǎn)生升力。如下圖1所示。

不過，這個(gè)理論肯定不是物體飛行的唯一解釋。這個(gè)理論的一個(gè)錯(cuò)誤在于，認(rèn)為“機(jī)翼上下表面不對(duì)稱”是升力之源。然而上下對(duì)稱的機(jī)翼并不罕見，最常見的例子就是紙飛機(jī)，紙飛機(jī)在滑翔過程中一樣可以產(chǎn)生升力。此外，現(xiàn)代飛機(jī)廣泛采用的超臨界翼型，出于減阻目的，其下表面的長(zhǎng)度實(shí)際上是比上表面長(zhǎng)度還長(zhǎng)的。同時(shí)，這個(gè)理論也完全無法解釋戰(zhàn)斗機(jī)是如何倒飛的。

第二就是來源于空氣對(duì)翼型下翼面的反作用力，就像打水漂一樣，石子在快速滑過水面時(shí)，會(huì)排開水體從而獲得反向的作用力重新離開水體，飛機(jī)在飛行時(shí)不斷向下推開空氣，從而依靠反作用力獲取升力。如下圖2所示。

這個(gè)理論的顯著錯(cuò)誤在于，它認(rèn)為產(chǎn)生升力的主要是機(jī)翼下表面，機(jī)翼上表面的貢獻(xiàn)可以忽略。這也就引申出一個(gè)結(jié)論：機(jī)翼下表面不變，則上表面的形狀改變不會(huì)導(dǎo)致升力改變——這顯然是不對(duì)的。一個(gè)典型的例子是擾流板，當(dāng)機(jī)翼上表面的擾流板打開時(shí)，下表面毫無變化，上表面可以說形狀改變不大，但是結(jié)果卻非常顯著——某些飛機(jī)著陸時(shí)僅打開擾流板就可以減少一半以上的升力。

所以，物體飛行的條件是，至少這兩種力在為提供升力做貢獻(xiàn)。

2 風(fēng)神翼龍的起飛的身體條件

300kg的翼龍，他的翼載負(fù)荷大概在600牛頓每平方米左右。撲翼時(shí)最大會(huì)受到兩倍重力過載，翼面積至少要90平方米以上。單翼面積約為45平方米。風(fēng)神翼龍飛行形象估計(jì)為為4米的體長(zhǎng)，13米多的翼展，3米多的翼寬，翅膀振幅3米，以滑翔為主。這個(gè)和生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)的風(fēng)神翼龍化石十分類似。

所以，從理論上講，300kg體重的翼龍是能飛的。

3 食物來源

300kg的體重在休息狀態(tài)下，一天大概需要8000大卡，差不多也就是吃下十斤牛肉。這些食物來源在遠(yuǎn)古時(shí)期的環(huán)境下獲取，應(yīng)該不算困難。因?yàn)楫?dāng)時(shí)地球上還有很多體重超過50kg的大型哺乳類動(dòng)物和魚類。

綜上所述，從飛行、食物和身體結(jié)構(gòu)方面考慮，風(fēng)神翼龍的體重可以達(dá)到300kg。

參考文獻(xiàn)：

[1]D.F.安德森.《認(rèn)識(shí)飛行（第2版）》[J].航空工業(yè)出版社，2011年第1版.

[2]馬丁西蒙思.《模型飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)》[J].航空工業(yè)出版社，2007年6月第一版.