STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

蝴蝶翅膀:利用自然来学习飞行

难度 <! - 4 - >
所需时间 短(2-5天)
先决条件
材料可用性 一应俱全
费用 平均值($ 40 – $ 80)
安全 没有问题

摘要

你见过蝴蝶在外面翩翩起舞,在空中滑行并降落在花朵上吗?虽然它们既精致又脆弱,但蝴蝶实际上是非常好的传单。事实上,他们是如此优秀,哈佛大学的科学家研究了蝴蝶翅膀形状作为构建微型飞行机器人的灵感。在这个科学项目中,您将使用自己的哈佛大学科学家实验来测量蝴蝶翅膀的飞行性能。

目的

研究如何改变蝴蝶机翼相对于风的角度,改变机翼的升力.

积分

Ben Finio,PhD,Science Buddies

该项目基于Mirko Kovac博士,Daniel Vogt,Danielle Ithier,Michael Smith和Robert Wood教授的哈佛微机器人实验室。科瓦奇博士现在是航空系的教授伦敦帝国理工学院

引用本页

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科学伙伴。”蝴蝶翅膀:利用自然来学习飞行。” 科学伙伴,2017年11月6日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Aero_p049/aerodynamics-hydrodynamics/butterfly-wings-using-nature-to-learn-about-flight。2019年7月6日访问。

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科学伙伴。(2017年11月6日)。蝴蝶翅膀:利用自然来学习飞行。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Aero_p049/aerodynamics-hydrodynamics/butterfly-wings-using-nature-to-learn-about-flight


最后编辑日期:2017-11-06

简介

虽然它们的翅膀可能非常脆弱并且在人类处理时容易受损,但蝴蝶实际上是非常好的传单。其中一些 – 如图1所示的帝王蝶 – 每年移动数千英里的里程数!对于这么小的东西来说,这是一个非常了不起的壮举。

花上的君主蝴蝶
图1。帝王蝶可能看起来既脆弱又脆弱,但它们实际上每年可以飞行数千英里(Thomas Bresson,2010).

你从日常生活中熟悉的大多数飞行动物,如昆虫和鸟类,会拍动它们的翅膀,但许多还滑行。动物通过伸出翅膀和滑行来滑行,就像纸飞机一样。一些大型鸟类可以长时间在气流上滑行,但蝴蝶通常只会在拍打它们的翅膀之间滑动相对较短的时间。滑翔有助于飞行动物节省能量。即使蝴蝶在某些时候只滑行,这仍然可以帮助他们在漫长的迁移过程中节省大量的能量,比如Monarch’s。观看这个慢动作视频,看看在拍打和滑翔飞行之间交替的蝴蝶:

这个慢动作视频,由Mirko Kovac博士在波士顿科学博物馆拍摄,展示了一只在拍打和滑翔飞行之间交替的帝王蝶。

蝴蝶是如此伟大的传单,哈佛大学微机器人实验室的一组研究人员希望模仿他们的行为,以便建造一个可以在短时间内滑行的小型飞行机器人。为了建造一个可以滑行的机器人蝴蝶,他们首先必须研究真正的蝴蝶翅膀的行为,以及当蝴蝶滑行时空气如何在它们周围移动。关于空气如何围绕机翼和其他物体移动的研究被称为空气动力学。哈佛科学家通过空气测量了蝴蝶翅膀上的升力阻力.升力力量,可以向上推动飞行物体的翅膀(无论是蝴蝶,鸟还是飞机)。为了使飞行物体停留在空中,升力必须克服物体的重量.拖动是拉回飞行物体以减慢其速度的原因,并且是由空气阻力引起的。为了克服阻力,飞行物体必须产生推力以向前推动自身。图2显示了作用在蝴蝶上的升力,阻力,重量和推力。

提升,拖拽,重量和推动蝴蝶
图2. 此图中的蝴蝶向左移动。翅膀上的提升必须支撑蝴蝶的重量以保持它在空中.推力向前推动蝴蝶必须克服拖动,这会减慢它的速度。

正如您可能想象的那样,很难对真正飞来飞去的蝴蝶进行测量!相反,科学家们使用了他们在实验室制作的人工蝴蝶翅膀。他们将这些机翼放在风洞中,这是一种科学仪器,可让科学家非常准确地控制气流的速度和平滑度。为了模拟滑行(与拍打相反),机翼被固定在固定位置。人造蝴蝶翅膀连接到力传感器,让他们在一个精心控制的环境中测量升力和阻力,这样他们就可以直接比较不同蝴蝶物种的翅膀。想象一下,在阵风刮风的日子里外面做这件事有多难!图3显示了典型风洞的示意图。它包括一个风扇,它将空气吸入隧道,在通过隧道的排气口离开之前,它通过测试部分流过蝶翼。对于这个实验,您的风洞将非常简单,只需一个风扇,一个厨房秤,以及一个用冰棍棒制作的支架。

风洞图
 哈佛microrobotics实验室风洞
图3. 上图显示了典型风洞的侧视图,其中包含测试区的放大视图,其中包含蝴蝶翼。一个非常强大的风扇(比你在这个实验中使用的窗扇大得多)通过隧道吸入空气。隧道的一端是一个较大的开口,它变得更窄,导致空气加速(它就像花园软管上的喷嘴一样,但用空气代替水)。进入测试的空气在撞击蝶形翼时以非常直的,平滑的线移动,蝶形翼连接到力传感器(图中未示出)。这使得科学家们可以对电梯和阻力进行可控,准确的测量。最后,空气流过蝶翼并从隧道的”排气” 端流出。下图显示了哈佛实验中使用的实际风洞的图片 – (A)整个隧道和(B)测试部分(Harvard Microrobotics Lab,2012)。

在哈佛大学的研究中,科学家测试的一件事是攻角对产生多大升力的影响.攻角是机翼(从侧面看)与风洞中风向的夹角,如图4所示。攻角通常用小写的希腊语表示字母α。

蝴蝶迎角
图4. 攻角是机翼(从侧面看)与风向之间的夹角。该图显示了0°,45°和90°的迎角。

改变攻角会对升力产生很大影响。更多升力可以使飞行更容易,并且需要更少的能量看图4,您认为哪个迎角(0°,45°或90°)会为蝴蝶产生最大的升力?在这个科学项目中,您将进行一项实验,以测量更改迎角如何改变纸蝴蝶翅膀上的升力。与哈佛大学研究人员使用的真实(且相当昂贵)的风洞相比,你在家里可以做的实验版本非常简单,但它仍然可以让你研究蝴蝶飞行的一些基本原理。

术语和概念

  • 滑翔
  • 空气动力学
  • 电梯
  • 重量
  • 推力
  • 风洞
  • 力传感器
  • 攻击角度

问题

  • 对飞行物体起作用的四种力是什么?哪些相互抵消?
  • 科学家们使用风洞做什么?
  • 您如何看待改变迎角会改变升力和阻力?
  • 你有没有把手伸出一辆行驶的汽车的窗户,或者在一个强大的风扇前面?如何旋转你的手会影响你感觉到的升力(假装你的手是一个机翼)?
  • 你认为真正的蝴蝶在飞行中滑行时会使用什么角度?

参考书目

有关创建图表的帮助,请尝试使用以下网站:

材料和设备

  • 可以访问互联网并连接到打印机的计算机
  • 8.5英寸(英寸)x 11英寸卡片(1张)
    • 注意:如果您的打印机无法直接打印到卡片纸上,则需要8.5英寸x 11英寸打印纸(1张)和铅笔或钢笔进行跟踪.
  • 剪刀
  • 木制工艺棒(80)
  • 胶带,将工艺棒贴在纸上
  • 木头或工艺胶
  • 量角器
  • 小型活页夹(2)
  • 大窗户或箱式风扇
  • 厨房秤,分辨率为0.1克(g)。厨房秤可以在当地或在 Amazon.com
  • 几个重物作为重物,可以保持你的工艺棒支撑和卡片蝴蝶翅膀不会吹掉秤,如手机,钱包,遮蔽卷或电工胶带等。

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,以及 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

实验程序

建造你的纸蝴蝶

  1. 假设你认为蝴蝶翼攻角会在滑行过程中产生最大升力。
    1. 如果可能的话,可能有助于观察真正的蝴蝶,无论是在外面还是在蝴蝶屋(你的城市可能有)。如果您有摄像机,您可以在飞行中制作自己的蝴蝶录音,这样您就可以返回并重新观看它们。
    2. 如果你无法观察真正的蝴蝶,你可以重新观看视频​​简介,并在线搜索关于飞行中蝴蝶的其他视频。
    3. 你能清楚地看到蝴蝶滑行的时间,而不是扇动翅膀吗?你能猜出滑翔时的迎角吗?
  2. 下载 butterfly-outlines.pdf 文件。这是一个四页的PDF文件,其中包含哈佛研究中使用的四种不同物种的翼轮廓:Monarch,Glasswing,Fourbar Swordtail和Orange Airplane(图5)。从图5中选择你最喜欢的蝴蝶来使用。
    1. 有趣的事实:你在这个项目中建造的风洞太简单了,无法发现不同风格的蝴蝶翅膀之间的升力差异 – 但是哈佛的研究有足够的灵敏设备来发现Glasswing在滑翔时,Monarch的翅膀比Fourbar和Swordtail的翅膀更好.
哈佛大学研究中使用的四种蝴蝶物种
图5. 哈佛研究中测试的四种不同的蝴蝶种类(Harvard Microrobotics Lab,2012)。
  1. 从图5中选择了您最喜欢的蝴蝶后,打印相应的页面 butterfly-outlines.pdf 到8.5英寸x 11英寸一块卡片。务必以”横向” 方向打印页面。
    1. 如果您的打印机无法直接打印到卡片纸上(它比普通打印纸厚),请将设计打印到一张普通的打印纸上。您将在以后跟踪卡片.
    2. 图6显示了印刷时四种物种的样子(记得只选一种)。
不同蝴蝶种类的轮廓
图6. 四种不同蝴蝶物种的打印输出。你只需要为这个科学项目打印一个。
  1. 小心地剪掉蝴蝶的轮廓,如图7所示。
    1. 如果您在普通打印纸上打印设计,请将其剪下来,然后将轮廓描绘到一块卡片纸上,并剪下卡片纸。
帝王蝶的切口
图7. 帝王蝶的镂空。请记住,您不必使用君主;你可以从图5和图6中选择你最喜欢的蝴蝶。
  1. 折叠抠图蝴蝶的中间,使其像纸飞机一样,如图8所示。
    1. 沿着中间的虚线将蝴蝶折成两半。
    2. 沿着另外两条虚线折叠翅膀,沿着第一个折叠的相反方向折叠.
    3. 展开翅膀。蝴蝶的中间部分现在应该形成”V” 形状,稍后您将用它来夹住您的试验台.
折叠君主蝴蝶抠图
图8. 按照步骤5.a.-5.c中的说明进行操作。沿着虚线折叠你的纸蝴蝶.

  1. 将蝴蝶结粘贴在蝴蝶背面,如图9所示。这可以防止在风洞中测试时翅膀向后折叠。
工艺棒蝴蝶稳定蝴蝶翅膀
图9. 用蝴蝶结背面粘贴的工艺棒将防止机翼在测试过程中折叠关闭.

构建支持结构

本节将引导您使用木制手杖建造”支撑结构” 。将构建每个支撑结构以帮助您测试特定的攻角,因此您将构建总共十个(0°-90°,以10°为增量)。图10显示了几个示例支持结构。

工艺棒蝴蝶支撑结构
图10. 针对不同攻角的完成支撑结构的一些示例.

  1. 创建角度指南。
    1. 使用量角器和一张空白纸创建一个角度标记为0°-90°的引导,增量为10°,如图11所示。
    2. 从画一条水平线开始.
    3. 接下来,绘制与水平线成90°角的垂直线。如果您不知道如何使用量角器来帮助成年人寻求帮助。
    4. 最后,在水平线和垂直线之间以10°为增量绘制线条,如图11所示。标记线条以便日后参考。
角度指南与量角器
图11. 您将用于创建具有特定攻角的支撑的角度指南.

  1. 该程序将引导您构建一个示例支撑结构(30°),以便您了解如何使用角度指南。您将重复这些步骤来构建其余的支持结构。
    1. 使用角度导板,将一根工艺棒的右边缘与垂直线对齐,另一根工艺棒的顶边与30°线对齐,如图12所示。
    2. 使用少量胶水将胶棒粘在一起。如果移动它们以涂上胶水,请确保将工艺棒与适当的线重新对齐。
    3. 在继续之前,务必让胶水完全干燥 .
    4. 使用永久性标记来标记角度,这样您就不会在以后混淆不同的支撑结构.
30度迎角支持
图12. 使用您在步骤1中创建的角度指南来测量每个支撑的攻角.

  1. 将一个工艺棒切成两半,然后将碎片粘在垂直棒两侧的底部,如图13所示。记住在完成步骤4之前让胶完全干燥。
 :工艺棒支撑T
图13. 将两根半棍粘在垂直杆的底部,如图所示.

  1. 使用三根工艺棒,其中一根切成两半(总共留下四块),将矩形底座粘在一起,如图14所示。
支持结构基础
图14. 支撑结构的矩形底座.

  1. 将支撑结构的顶部粘贴到矩形底座上,如图15所示。您需要将其固定到位,直到胶水固化。
连接支撑结构的顶部和底部
图15. 将支撑结构的上半部分粘在基座上。
  1. 将两根工艺棒切成两半,然后将它们作为额外的支撑架粘贴,以帮助保持结构的上半部分直立,如图16所示。
添加支撑架以支撑结构
图16. 将两个工艺棒切成两半并用它们固定上半部分,使其不会翻倒.

  1. 图17显示了完成的30°支撑结构。重复本节的步骤2-6以构建剩余的八个支撑结构(0,10,20,40,50,60,70,80和90度)。
 完成30度支撑结构
图17. 完成30°支撑结构.

进行实验

  1. 在实验室笔记本中制作如表1所示的数据表。

平均

提升(克[g])
攻角(度) 试验1 试验2 试验3
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
表1。用于记录不同攻角的升力测量的数据表。

  1. 使用两个活页夹将蝴蝶夹在0°支撑结构上,如图18所示。
蝴蝶剪裁以支撑结构
图18. 使用活页夹夹住支撑结构的蝴蝶。
  1. 将您的秤和风扇放置在坚硬平坦的表面上,彼此相距约1米(m)。
    1. 尝试尽可能远离任何墙壁或其他障碍物(如家具)进行实验.
    2. 尽量避免其他气流来源,如吊扇或打开窗户.
    3. 秤和风扇之间的确切距离取决于风扇的大小。您希望您的秤能够处于平稳,均匀的气流区域。用手感受风扇吹来的微风,并尽量将秤放在一个让您感觉强劲,持续气流的位置。
  2. 将蝴蝶夹在上面的支撑结构放在秤上,蝴蝶朝向风扇,如图19所示。
    1. 使用一个或两个重物来称量支撑结构的底部。图20显示了用于此目的的两卷电工胶带。
蝴蝶风洞与风扇和比例
图19。自制的”风洞” 装置,带有风扇,刻度和支撑结构(由两卷电工胶带固定),用于固定测试蝶形翼。

按住蝴蝶支撑的重量
图20. 使用重物,如钱包,手机或胶带卷,以防止支撑结构和蝴蝶吹走。

  1. 按刻度上的”去皮” 按钮。这使得刻度本身重新归零,因此在其测量中不包括支撑结构的重量。
    1. 重要:从这一步开始,要小心,不要移动比例。将刻度移动到空气以不同速度流动的区域将影响您的结果。如果可能,您应该标记刻度的位置(例如,在硬表面上使用一块可移动的胶带);这样,如果您不小心碰撞或移动刻度,您可以将其返回到原始位置.
  2. 打开风扇。如果您的风扇有多种速度,请从最低速度开始(参见自己制作标签,了解有关测试不同速度的想法).
  3. 观察数字刻度显示屏上的值。请记住,该值应为,因为蝴蝶正在被提升,离开比例(而不是按下它)。如果您的比例不显示负值,请参见步骤7.b.
    1. 因为您使用的是非常粗糙的自制风洞,所以比例尺的测量值可能会稍微反弹一下。尽量在实验室笔记本的数据表中记录平均值。例如,如果读数在8.0 g和10.0 g之间振荡,则会记下9.0 g(您可以忽略减号).
    2. 请注意,某些厨房秤可能不会显示负值。如果您的规模如此:
      1. 从秤上取下蝴蝶,支撑结构和重物。
      2. 去皮(确保它读为零)。
      3. 将蝴蝶,支撑结构和砝码放回秤上。当风扇关闭时,在刻度上记录读数。
      4. 打开风扇,并在风扇开启时记录刻度上的读数。如上所述,这个值可能会反弹;尽力记录平均值.
      5. 减去这两个值以确定升力。例如,如果在风扇关闭时测量20 g,在风扇打开时测量15 g,则电梯测量值为20 – 15 = 5 g。
  4. 关闭风扇并等待它完全停止。如果刻度值偏离零,则再次按”去皮” 按钮。
  5. 重复步骤6-8两次,共进行三次第一次迎角试验。
    1. 务必将结果记录在数据表中。
    2. 完成三次试验后,计算平均升力值并将其输入数据表。如果您不知道如何计算平均值,请向成年人寻求帮助.
  6. 对每个剩余攻角重复步骤4-9。记住要小心不要碰撞或移动刻度.
  7. 分析您的结果。
    1. 绘制平均升力与攻角的关系图,x轴为攻角,y轴为升力。如果您需要帮助制作情节,可以使用创建图表网站.
    2. 图表的形状表示什么?什么角度的攻击力最大?什么角度或角度的攻击升力最小?你的结果对你有意义吗?
    3. 这与您的预测一致吗?您如何看待这与真正的蝴蝶飞行的相似或不同?
    4. 请记住,真正的蝴蝶(以及哈佛实验)也必须考虑而不仅仅是提升。你认为这可以解释你的结果和真正的蝴蝶之间的任何差异吗?

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变体形式

  • 如果您的风扇具有多种速度(例如,高,中和低),请针对每种风扇速度重复实验。在不同的风扇速度下,升力的形状与迎角图是否会发生变化?
  • 哈佛大学的研究小组还测试了前翼角(前翼和后翼之间的角度)对升力产生的影响。图1他们的官方出版物展示了一只帝王蝶,其翅膀处于两个不同的前翅角,图3显示了他们在实验中测试的所有不同配置。设计实验以创建升力与前翼角度(而不是迎角)的图形。您的自制风洞是否准确到足以看到预期结果?
  • 测量哈佛研究中使用的四种不同蝴蝶种类之间的升力差异。对于简单的自制风洞,这可能很难做到,因此您可能需要研究建造更复杂或更敏感的风洞。
    • 哈佛研究中没有包括的其他物种怎么样?蝴蝶和飞蛾有各种各样的翅膀形状。查看其他物种并制作镂空,以测试其翅膀的照片。
  • 想出一种方法来测量升力拖动你的蝴蝶翅膀,这样你就可以计算滑翔率,就像哈佛大学的研究一样。您需要进行额外的研究并构建更复杂的风洞以测量阻力。滑翔率定义为升力与阻力之比:
    • 滑翔率=提升/拖动
  • 提升也很大程度上取决于表面积或蝴蝶翅膀的大小。做一个实验来衡量电梯如何随表面积变化。例如,如果你从索引卡中剪下较小的蝴蝶而不是全尺寸的卡片,会发生什么?
  • 实验数据的波动 – 例如您的音阶读数 – 被称为 noise 。通过记录多个刻度读数,您能了解项目数据的”嘈杂” 吗?例如,在几分钟的时间内每5秒写一次刻度读数。然后绘制升力与时间的关系图。图表是什么样的?这告诉您数据的准确性是什么?
  • 如果您喜欢这个空气动力学科学项目,您可能会在同一领域享受其他科学伙伴项目,例如它飞多远?建设与发展具有不同阻力的测试纸平面