科普| 科学家发现蚊子飞行的独特之处

到了夏天，蚊子的叮咬以及在入睡前耳边徘徊时的嗡嗡声给人们带来了很大的烦恼。有多烦人呢？我们可以先从推送蚊子咬人的秘密带来的思考中的介绍去了解一下。

“隐隐聚若雷，噆肤不知足。皇天若不平，微物教食肉。贫士无绛纱，忍苦卧茅屋”——皮日休

蚊子在飞行中求偶，寻觅宿主，并且可以轻易摆脱下落的雨滴[1]以及人们拍打，这意味着蚊子毫无疑问是一类成功的飞行动物。 

观测表明，蚊子虽然也是一种昆虫，但它的飞行模式与其它昆虫有不同之处。北京航空航天大学孙茂教授团队探索了蚊子吸血增重3倍后为何还能飞起来的奥秘。他们认为，正常情形下，蚊子以小幅度高频拍动翅膀，通过翅膀的加速和上扬产生了足够的升力，而在吸血后则可以采取全幅度拍动翅膀来支撑起额外的重量。

那么，站在物理学角度，蚊子飞行时，到底是什么带来了让蚊子飞起来的升力呢？现在就来看看清华大学航天航空学院黄伟希副教授团队给出的答案。在此，之前，我们先了解一下固定翼飞行和昆虫飞行产生升力的机制。

固定翼飞机产生升力的机制

固定翼飞机产生升力的机制在推送飞机为何能飞起来中已有介绍。现在回顾一下要点。

飞机在没有飞行时，机翼的上下表面是受大气压作用的。只是因为上下表面感知的是同样大小的压力，因此飞机不能自然飞起来。

那么，飞行中的机翼为何能产生升力呢？这需要站在地面看飞机才能理解。原来，飞机的机翼设计成了这样的形状和姿态，在发动机推力推动飞行的过程中，机翼的前端（前缘）相比于尾端（尾缘）抬起了一个适当的角度，这个角度在专业上称为迎角。

站在地面看飞行的机翼

飞行时，迎面而来的空气被机翼下表面击打，在下表面增高压力，机翼上表面背风前进时，由于正在拖动空气，于是在上表面降低了气流压力。因此，机翼下表面感知气流更高的压力，机翼上表面感知气流更低的压力，如同有举重机从下方举机翼，有起重机从上方吊机翼，于是就产生了让飞机飞起来的升力。

当然，这只是一种事实陈述，并不能当作对飞机产生升力原因的深层次解释。

如果站在飞机上看机翼周围的气流，则可以用新的视角来理解机翼如何产生升力的。但这种理解要用到更多的超出我们常识的知识。

跟着飞机看气流

跟着飞机看气流时，气流满足所谓的伯努利定理，即流速快的地方压力低。观测表明，机翼上部气流比下部气流快，因此，按伯努利定理，机翼上部气流压力低，下部气流压力更高，于是就产生了升力。 

 

这看起来很专业，问题是，伯努利定理并不是一种解释，即使我们认同它是成立的，也很难说明上部气流为何比下部气流更快。

人们还试图用其它方式解释机翼为何产生了升力，但据环球科学推送飞机为什么能飞起来？直到今天，科学家仍然没有答案，目前没有一种解释能为大多数人所接受。

昆虫飞行机制——前缘涡机制

昆虫是地球上最早能够飞行的动物，并且已演化出超过100万种能够飞行的昆虫[2]。昆虫具有极强的飞行能力，可以悬停甚至倒退飞行，因此昆虫飞行吸引了不同领域的学者们的关注。但学者们发现昆虫在实际飞行中所产生的升力要远高于理论估测，为此许多学者对昆虫的飞行展开了研究。其中，Ellington等人在1996年建立了昆虫的机械模型，通过烟雾首次在昆虫飞行中发现稳定附着的前缘涡（Leading-edge vortex, 如下图中蓝色区域），并提出了前缘涡机制[3]。

Ellington等人的机械昆虫实验[3]

 

翅膀在拍动时，来流在翅膀前缘分离而形成前缘涡，如下图所示。由于涡旋转的离心作用，在涡的中心处会产生低压区域。因此，前缘涡在翅膀的上表面产生的低压把翅膀向上“吸”从而增大升力。在二维形况下，前缘涡会脱落并形成类似卡门涡街的现象，而在昆虫飞行中前缘涡稳定地附着在翅膀表面而不发生失速，这也是昆虫实际飞行中升力大于理论估算的原因。因此，前缘涡机制也被称为不失速机制（absence of stall）。

前缘涡形成示意图[4]

 

前缘涡机制是大部分昆虫飞行中最为普遍的机制。除了昆虫以外，鸟类飞行[5]，鱼类游动[6]，甚至植物种子下落[7]都存在前缘涡机制。

从左至右分别为鸟类飞行[5]，鱼类游动[6]，以及种子下落[7]中的前缘涡

 

蚊子的飞行机制

相比其他类群的昆虫，蚊子具有极高的翅膀拍动频率，可以高达800赫兹，这也是蚊子令人烦恼的嗡嗡声的来源；并且蚊子的翅膀较为细长，但拍动幅度比任何其他类群的昆虫都要小（如下图所示）[8]。

不同昆虫拍动幅度示意图，从左至右分别为蚊子、果蝇、食蚜蝇、天蛾[8]

 

此外，蚊子在飞行过程中，翅膀除了拍动（下图左），也会有较为显著地旋转（下图右）运动。虽然蚊子的拍动幅度小于其他昆虫，但旋转要比其他昆虫更加明显。

昆虫飞行翅膀运动示意图[9]

 

由于前缘涡机制需要较高的平动速度，而蚊子较小的拍动幅度对应相对较低的平动速度，并且较小的拍动幅度使前缘涡不足以维持较长的时间。因此，这些与一般昆虫不同的特点意味着蚊子具有更独特的飞行原理。

在2017年，Bomphrey等人对蚊子的飞行进行了研究，他们发现除了最为普遍的前缘涡机制以外，蚊子还具有两种特有的升力产生机制：后缘涡机制以及旋转阻力机制。后缘涡机制是翅膀在旋转过程中带动较强的后缘涡附着在翅膀后部，并在吸力面产生较强的负压而增强升力[8]。

蚊子飞行中的后缘涡机制[8,9]

 

蚊子飞行中的旋转机制与其他昆虫的不同之处在于蚊子通过翅膀绕前缘旋转而产生垂直于翅膀表面的旋转阻力，旋转阻力的竖直分量提高了升力[8]，如下图所示。

蚊子翅膀在旋转过程中翅膀所受到的阻力（由黑色箭头所示）[8]

 

清华大学航天航空学院黄伟希副教授与博士生张钧铎对蚊子飞行时翅膀经过的区域进行划分，并定量分析了前缘涡与后缘涡对蚊子升力的贡献。

不同涡及所在区域示意图[9]

 

他们发现尽管前缘涡对升力有一定贡献，但只维持了很短的时间，而后缘涡则对升力提供了主要的贡献。蚊子升力的第一个峰值在翅膀刚开始向下拍动并向内旋转时由附着的后缘涡提供；而第二个升力峰值是在拍动中期的旋转阶段带动后缘涡的对流作用贡献的；第三个升力峰值则是在翅膀向上拍动过程中前缘涡所贡献的。从整个扇翅周期来看，后缘涡对升力的贡献占据主导地位[9]。

蚊子升力系数及峰值对应涡的贡献示意图[9]

 

蚊子所特有的飞行机制依赖于翅膀的旋转而与翅膀平动速度几乎无关，不会因蚊子较小的拍动幅度而受到影响，并且较细长的翅膀具有更小的惯性而更适合翅膀的旋转以及高频拍动。因此，蚊子所特有的飞行机制非常适合蚊子较小的扇翅幅度以及更加细长的翅膀。

 

参考文献

[1]Dickerson, A. K., Shankles, P. G., Madhavan, N. M. & Hu, D. L. (2012).Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass. Proceedingsof the National Academy of Sciences,109(25), 9822-9827.

[2]Chin, D. D. & Lentink, D. (2016). Flapping wing aerodynamics: from insectsto vertebrates. Journal of Experimental Biology,219(7), 920-932.

[3]Ellington, C. P. , Berg, C. V. D. , Willmott, A. P. , & Thomas, A. L. R. .(1996). Leading-edge vortices in insect flight. Nature, 384(6610), 626-630.

[4]Sane, S. P. (2003). The aerodynamics of insect flight. Journal ofExperimental Biology,206(23), 4191-4208.

[5]Muijres, F. T., Johansson, L. C. & Hedenstrom, A. (2012). Leading edgevortex in a slow-flying passerine. Biology Letters,8(4), 554-557.

[6]Borazjani, I. & Daghooghi, M. (2013). The fish tail motion forms anattached leading edge vortex. Proceedingsof the Royal society B,280(1756),20122071.

[7]Rezgui,D., Arroyo, I. & Theunissen, R. (2020). Model for sectional leading-edgevortex lift for the prediction of rotating samara seeds performance. The Aeronautical Journal, 124(1278),1236-1261

[8]Bomphrey, R. J., Nakata, T., Phillips, N. & Walker, S. M. (2017). Smartwing rotation and trailing-edge vortices enable high frequency mosquito flight.Nature,544(7648), 92-95.

[9]Zhang, J. D. & Huang, W. X. (2019). On the role of vortical structures inaerodynamic performance of a hovering mosquito. Physics of Fluids,31(5),051906.

来源：知普