蜜蜂飞行特性的实验研究

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1、蜜蜂飞行特性的实验研究土达亮北京市中关村中学高二年级摘要：木项H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，得到部分飞行参数（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，引出了非定常扁升力机制,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：（1）蜜蜂飞行时前翅外顶点的运行轨迹为细长“8”字，过程与常规的书写方向相反，翅的行程角度约为120°o（2）蜜蜂在加速、减速、变向、匀速、悬

2、停飞行时，其振翅频率几乎不发牛变化，这说明蜜蜂不是通过改变振翅频率来改变飞行状态的，而是通过调整翅膀的攻角来改变飞行状态。（3）通过观察烟风洞屮蜜蜂的振翅图像，发现蜜蜂振翅时紧贴身体背部的气流流动速度明显高于少体下方的气流，形成类似前缘涡的烟分布，为非定常高升力机制提供支持。这些成果可以为微型仿昆虫扑翼E行器的设计提供理论探索。关键词：蜜蜂，扑翼飞行，攻角，非定常升力，前缘涡一、问题的提出我从小学二年级开始就跟随北京市少年宫刘永生老师学习昆虫学知识，对多种昆虫进行了长期的观察、研究并取得了一些成果。近期关注的焦点是：为

3、什么小小的蜜蜂可以在空中做长时间不间歇的飞行？它们有着非常高的飞行效率，在自身的能量储备一定的情况下，比人造飞行器效率高很多。经过查文献和请教专家，了解到蜜蜂的高效E行可能与蜜蜂飞行时由丁翅的运动而产生的气流扰动情况有关，而研究蜜蜂振翅飞行的机理，可以为仿生微型扑翼飞行器的设计打下一泄的理论基础。于是，我确沱研究该课题。二、不同约束状态下蜜蜂飞行特性的实验研究（一）首先选取较活泼的蜜蜂（如图1所示），测量并计算其身体尺寸参数见表lo图1实验用蜜蜂照片表1蜜蜂身体平均尺寸参数前翅后翅长(mm)96宽(mm)32面积（mn

4、?）16.29翅的重量（g）0.00034身体重量（g）0.0807实验时，分别采取自由、支撑、非封闭悬挂和封闭悬挂（如图2,3,4,5所示）四种状态，使用Nikon高速摄影系统（包插摄影机、聚光灯、计算机控制与接收端）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，用燃香产生的烟雾以显示空气流场。所用的Nikon高速摄影机丄作频率可调，最高每秒可拍摄12000帧（f/s）,由于实验室光线较暗，实验设定的工作频率为2000f/s,每次摄影机工作Is,即每次拍摄2000张图片。拍摄时先观察蜜蜂的状态，当其振翅飞

5、行时迅速捕捉画面，每次拍摄时间为Is。以下对拍摄蜜蜂时所采取的口由与约束状态分别进行说明：（1）自由状态（如图2所示），蜜蜂被放在18cmX18cmX20cm的玻璃罩中，在玻璃罩上画上标志线并贴上坐标纸以显示其飞行位置的变化。（2）支撑状态（如图3所示），用细线穿过笔芯做一个可伸缩式的套索，小银子捉住蜜蜂后，将套索套住其头部，另一端插在泡沐塑料块上，使蜜蜂呈支撑状态,实验台后方安置了铁片作为烟屏，将燃香靠近蜜蜂并等待蜜蜂振翅时迅速拍摄。（3）不封闭悬挂状态（如图4所示），图中是拉细的笔芯，用同样的方式将蜜蜂从背后套住头

6、部，另一端用悬挂针塞住使得蜜蜂姿态呈悬挂状，将燃香靠近蜜蜂并等待蜜蜂振翅时迅速扌

7、'

8、摄。(4)封闭悬挂状态(如图5所示),选用20cmX20cmX50cm的玻璃筒，竖立时在底部的挡板留出1〜6个0.5cm的圆孔，用套锁悬挂装置将蜜蜂放置在发烟流场中进行拍摄。图2口由姿态装置图图3支撐状态装直图图5封闭悬挂状态装置图(a)(b)(c)(d)图6口rh状态时，同一周期内蜜蜂翅的位置图4非封闭悬挂状态装置图实验拍摄结束后，选取8组效果较好的图片。其屮白由状态选取1组；支撑状态选取4组；悬挂状态选取3组。图6—图9分别对应三

9、种状态卜•蜂翅在不同位置的情况，是从一个振动周期中选出的图片。(a)(b)(c)(d)图7支撑状态时■，同一-周期内蜜蜂翅的位置(a)(b)(c)(d)图9封闭悬挂状态时，同一周期内蜜蜂翅的位置(二)实验结果分析与讨论：1、振翅频率和振幅因为1帧二1/2000秒，通过数一个振动周期有几张图片就可以得到蜜蜂振翅的周期，所以周期厂可以用周期帧数刀代替。为了得到较为准确的结果，取儿个周期的结果作加权平均。由周期帧数门可求出频率Iv=1/7=2000//2,其屮沦/7/2000,如此获得的数据包括蜜蜂振翅的周期帧数和频率，如表

10、2所示。表2蜜蜂振翅频率状态自由支撑非封闭悬挂参数1组2组3组4组1组2组3组周期帧数(f)9.012.611.011.511.18.711.29.9频率(HZ)228163186178184234183207对于蜜蜂飞行时翅的振幅(翅绕体轴转过的角度)，只能在图片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