蝴蝶翅膀：利用自然来学习飞行

摘要

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.

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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。

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:

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和阻力.升力是力量，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。

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。

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。

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
• 力
• 重量
• 将
• 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

• Kovac，M。（2011年2月21日）.帝王蝶拍打和慢动作滑行（240 fps）.2013年8月13日检索自 http://youtu.be/_SbihKIoOPU 。
• 史密森尼学会.（不详）.蝶的。检索2013年8月13日，来自 http://www.si.edu/Encyclopedia_SI/nmnh/buginfo/butterfly.htm 。
• Kovac，M.，et。人.（2012年10月7日）.四种蝴蝶物种的空气动力学评价，用于扑翼滑翔机器人昆虫的设计.IEEE/RSJ智能机器人和系统国际会议。检索2013年8月13日，来自 http://micro.seas.harvard.edu/papers/IROS2012_Kovac.pdf
• 哈佛微机器人实验室.（不详）.欢迎来到哈佛微机器人实验室.2013年8月29日检索自 http://micro.seas.harvard.edu/.
• NASA.（不详）.飞机上的四种力量。检索2013年8月13日，来自 http://www.grc.nasa.gov/WWW/K -12/飞机/forces.html 。

有关创建图表的帮助，请尝试使用以下网站:

• 国家教育统计中心（n.d.）.创建图表。检索自2009年6月2日起 http://nces.ed.gov/nceskids/createagraph/

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。

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.

图5. 哈佛研究中测试的四种不同的蝴蝶种类（Harvard Microrobotics Lab，2012）。

3. 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）。

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。

4. 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。

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。

5. 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.

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.

6. 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。

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。

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。

图11. 您将用于创建具有特定攻角的支撑的角度指南.

2. 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.

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.

3. 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。

图13. 将两根半棍粘在垂直杆的底部，如图所示.

4. 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。

图14. 支撑结构的矩形底座.

5. 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。

图15. 将支撑结构的上半部分粘在基座上。

6. 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。

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.

7. 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）。

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。

2. 使用两个活页夹将蝴蝶夹在0°支撑结构上，如图18所示。

图18. 使用活页夹夹住支撑结构的蝴蝶。

3. 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。

4. 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。

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。

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。

5. 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.
6. 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）.
7. 观察数字刻度显示屏上的值。请记住，该值应为负，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。

8. 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。
9. 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.
10. 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.
11. 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）也必须考虑拖而不仅仅是提升。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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  • 滑翔率=提升/拖动

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