蜜蜂飞行特性的实验研究

蜜蜂飞行特性的实验研究　李睿　（湖南省邵东县第一中学，湖南邵东４２２８００）　摘要：长项目以蜜蜂为研究对象，通过高速摄影系统对蜜蜂在自由飞行、支撑、悬挂等状态下的飞行姿态进行了观测，　ｒ冬救【振翅的频率、振幅及自由飞行状态下的速度、加速度等物理量），由此对蜜蜂的升力进行了简单的物理学分析，引出了　７札制，进一步利用烟风洞装置进行流场显示实验，过程中得出了一些有价值的结论以及蜜蜂飞行的特性　关键词：蜜蜂；扑翼飞行；攻角；非定常升力；前缘涡　１问题的提出　我从小就　欢学习昆虫学知识，对多种昆　＿ｌ』ｌ进ｆ　厂长期的观察、研究并取得了一些成果。　近　父注的焦点是：为什么ｄ，ｚｂ的蜜蜂可以在　｝－做长时　不间歇的飞行？它们有着非常高　ｆ，ｊ。　效率，在ｎ身的能量储备一定的情况下，　比人造　行器效率高很多。经过查文献和请教　家．＿ｒ解刮蜜蜂的高效飞行可能与蜜蜂飞行　时ｆ｝ｔ　ｊ　翅的运动而产生的气流扰动情况有关，　研充蜜蜂振翅飞行的机理，可以为仿生微型　扑　器的设计打下一定的理论基础。于是，　我确定研究该课题。　２不同约束状态下蜜蜂飞行特性的实验研　究　图２自由姿态装置图　图３支撑状态装量　２　ｌ酋允选取较活泼的蜜蜂（如图１所示），　洲：ｔ　州　算其身体尺寸参数见表１。　实验时，分圳采取自由、支撑、非封闭悬挂　干¨封　恳挂（如图２，３，４，５所示）四种状态，使用　ｉｋｔｍ高速摄影系统（包括摄影机、聚光灯、计算　饥控制　ｊ接收端）对其进行拍摄。为了能够清楚　地观察蜜蜂振翅飞行对气流的影响，用燃香产　的圳罅以　示空气流场。　听『｝ｊ的Ｎｉｋｏｎ高速摄影机工作频率可调，最　幽缚秒呵扪摄１２０００帧　），由于实验室光线较　暗，实验设定的　作频率为２０００ｆｆｓ，每次摄影机　Ｔ作ｌｓ，即每次拍摄２０００张图片。拍摄时先观　察蜜蜂的状态，　ｊ其振翅飞行时迅速捕捉画面，　每次卡ｎ摄时问为１ｓ。以下对拍摄蜜蜂时所采取　图５封闭悬挂状态　图４非封闭悬挂状态装置图　的『Ｉ　Ｉ｛１　ｊ约求状态分别进行说明：　１　２．１．１自由状态（如图２所示），蜜蜂被放在１８ｅｍ　Ｘ　１８ｃｍ×２０ｅｍ　塑料块上，使蜜蜂呈吏撑状态，实验台后方安置了铁片ｆ的玻璃　中，存玻璃罩上画上标志线并贴上坐标纸以显示其飞行位　燃香靠近蜜蜂并等待蜜蜂振翅时迅速拍摄。　２．１．３不封闭悬挂状态（如ｌ矧４所示），　巾是拉细　２．１．２支撑状态（如图３所示），用细线穿过笔芯做一个可伸缩　样的方式将蜜蜂从背后套住头部，　一端用悬挂针塞住１　式的食索，，Ｊ、镊子捉住蜜蜂后，将套索套住其头部，另一端插在泡沫　态呈悬挂状，将燃香靠近蜜蜂并等待蜜蜂振翅时迅速拍｛　２．１．４封闭悬挂状态（如图５所示），选用２０ｅｒａ　Ｘ　２０ｔ－ｒ　玻璃筒，竖立时在底部的挡板留ＩＩ｛１～６个０．５ｃｍ的　彳【　挂装置将蜜蜂放嚣在发炯流场中进行拍摄。　实验拍摄结束后，选取８组效果较好的图片。其【ｆ１　Ｊ　取１组；支撑状态选取４组；悬挂状态选取３组。图６一Ｊ　应三种状态下蜂翅在不同位置的情况，是从一个振动周ｊ　图片。　２．２实验结果分析与讨沦：　２．２．１振翅频率和振幅　因为１帧＝１／２０００秒，通过数一个振动周期有几张ｆ　得到蜜蜂振翅的周期，所以周期Ｔ町以朋周期帧数ｎ代］　到较为准确的结果，取几个周期的结果作加权平均。ｍ　可求出频率　：ｖ＝ｌ厂ｒ＝２０００／ｎ，其中Ｔ＝ｎ／２０００，如此　ａ蜂群　ｂ蜜蜂前后翅尺寸图　包括蜜蜂振翅的周期帧数和频率，　表２所示。　图１实验用蜜蜂照片　对于蜜蜂　行时翅的振幅（翅绕体轴转过的角度），　的变化　科技论坛　・１１７・　细长“８”字，过程与常规的书写方向相反，“８”字的上下顶点连线与　腹节尾部指向垂直，翅的行程角度约为１２０。，行程的角速度由　慢一快—　慢，且悬挂时振翅频率比自由飞行时稍低。　２．２３蜜蜂振翅产生的气流分析　在有烟环境下，可以观察到振翅产生的气流基本上绕蜜蜂身体　的上部向后流动，向后的气流速度不均匀并伴有旋涡，在身后近　３ｅｒａ基本不发散，而身体下部气流受振翅影响较小。翅前方气流的　速度大约是翅后方推出气流速度的１／４～１／５，翅外缘产生的气流流　速高于内缘。　参考文献　【１】周培源．谈谈对力学的认识和几个关系问题［Ｊ】．力学与实践，　１９７９，１（１）：１－３．　ｆ２］－￣Ｊ、茂，关江浩．微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气　动力和能耗ＩＪ１．航空学报，２００２，９，２３（５）：３８５—３９３．　【３】杜刚，孙茂．昆虫拍动翅的非定常变形对其气动力的影响『Ｊ１．应用　数学和力学，２００８，２９（６）：６６３—６７５．　【４】刘永生等．少年宫昆虫【Ｍ】．太原：山西教育出版社，１９９６．　【５】彩万志，庞雄飞等编著，普通昆虫学【Ｍ】．北京：中国农业大学出版　社．２００１．　【６１【日】黑泽良彦等．少年科学知识文库：昆虫［Ｍ］．北京：中国科学普及　出版社。１９７９（电子图书）．　【７】［美】乔治・挨尔斯等．动物探索【Ｍ】．太原：书海出版社，２００３．　【８】［美】挨约尔・戴维斯等－科学探索【Ｍ】．太原：书海出版社，２００３．　【９】［美１Ａ．Ｈ＿夏皮罗著．形与流【Ｍ】．北京：科学出版社，１９７９．　【ｌＯ】廖家璞，毛明久著．航空概论ｆＭ】．北京：航空工业出版社，１９９９．　【Ｉｌ】孙茂．昆虫是怎样飞行的【Ｊ１．力学与实践，２００４，２６（Ｉ）：８０—８３．　（ａ）　（ｂ）　（Ｃ）　（ｄ）　图９封闭悬挂状态时，同一周期内蜜蜂翅的位置　表１蜜蜂身体平均尺寸参数　周期帧数（ｆ）　９．０　１２．６　１１．０　１１．５　１１＿１　８．７　１１．２　９．９　上通过量角器得到一个大概的角度（约为１２０。），这也是本实验不　够完善的地方，需要在今后的实验装置中加入标尺进行更为精确的　测量。　自由状态和悬挂状态时蜜蜂振翅频率几乎一致，而支撑状态时　蜜蜂振翅频率要小一些．但此时振幅稍大一些，可以解释为蜜蜂为　了挣脱束缚作了更多的功。　２．２．２蜜蜂飞行形态的分析　为方便观察，分别以前翅主脉和前翅外顶点（图ｌｈ标注所示）　为基准来观察振翅过程中前、后翅的运动规律。　振翅行程过程中，翅自上向下运行到两个前翅外顶点与胸节的　胸、足连接处在一个平面时停止；翅自下向上运行到两个前翅主脉　平行时停止。前翅自翅基向顶点有逐渐明显的弯曲，后臀角向外弯　曲程度加剧，顶点弯曲最大。同时，前翅有扭曲现象，以后臀角处扭　曲范同最大，外顶点的扭曲角度最大。弯曲和扭曲的方向与翅的运　行方向相反。而后翅无明显弯曲和扭曲。前翅外顶点的运行轨迹为