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达芬奇发明了什么飞行器 已知最大的能飞行的翼龙是( 二 )


三种脊椎动物动态飞行的结构(来源:互动科普)
鸟儿用愈合的掌骨和羽毛飞翔，它们在羽毛轴的两侧进化成不对称的飞羽，从而控制气流，让它们飞得更高 。由于在辽宁省热河生物群中发现了大量的羽状恐龙，科学家们逐渐拼凑出了从兽脚亚目动物到鸟类的进化过程；从许多不会飞的恐龙身上发现的原始羽毛中，我们也可以知道羽毛最初的进化目的与飞行无关，但更可能是为了其他功能，如保温、性展示和跑步时的平衡控制 。然而，像小盗龙这样的四翼恐龙的发现证明了鸟类在发展高效的动力飞行之前，是用它们的手、脚和长尾上的羽毛来低速滑行和控制它们的方向的 。直到那时，他们才展示出适合高速飞行的机翼[4] 。
小盗龙可以用它的四个翅膀和尾巴低速滑行 。(照片来源:[5])
翼龙和蝙蝠都发展翅膀膜来飞行，但是这两种方法略有不同 。蝙蝠用伸出的5个手指来称呼小翼膜，而翼龙用伸出的4个手指来飞翔 。蝙蝠的翼膜有更多的手指支撑，所以它有更薄的翼膜和更多的肌肉来协调飞行[1，7] 。
翼龙翅膀的骨骼结构实际上要简单得多，只有一个手指在功能上参与了翅膀的形成 。然而，翼龙通常在其膜状翅膀上有多层翅膀膜 。相关的物理实验发现，翼龙不能像鸟一样高速飞行，因为它们的结构，但它们可以利用气流以更少的努力和更容易的操作来低速飞行[11] 。这种飞行能节省多少劳动力？根据最新的实验和解剖学分析，即使翼展超过10米、重量估计为300公斤的羽蛇神也没有超过这种飞行模式的重量限制[12] 。
风神翼龙的翼展超过10米 。图为两只不同的风神翼龙 。(图片来源:维基百科)
为什么我们应该参照翼龙来设计飞机？
自古以来，人类一直希望能够像天空中的鸟儿一样自由飞翔 。伊卡洛斯模仿鸟类的翅膀，从古希腊神话的克里特岛飞走了 。工业革命后，鸟类、蝙蝠和昆虫的仿生研究不断优化飞机的设计 。自然界的生物是激励人类飞翔的主要动物 。关于已经灭绝了6600万年的翼龙，我们需要在哪些特殊的地方学习？
首先，我们需要对像翼龙这样会飞的爬行动物有更深入的了解:它们是如何飞行的？它们的飞行模式和现存的飞行动物有什么异同？
随着越来越多的精美化石、脚印和其他遗迹化石的发现，以及科学技术和物理模型的应用，科学家们现在对翼龙的翅膀结构、翼膜形状、附着位置和着陆姿势有了越来越详细的了解[9，13]，并开始思考这些结构对人类飞行技术发展的可能性 。
中国发现的热带龙保存了精美的软组织 。(照片来源:[8])
可以大也可以小，是翼龙形状的一个重要特征 。在所有飞行动物中，翼龙的体长最大 。最小的翼龙翼展只有10厘米，而最大的翼龙，如羽蛇神翼展可以轻松超过10米，重量超过300公斤 。因此，与最大翼展只有3.7米的皇家信天翁相比，翼展超过一些小型飞机的大型翼龙在中型飞机的设计中显然具有更大的参考意义 。
(图片来源:维基百科；pinterest)
既然翼龙的体型如此之大，如何起飞和着陆就成了问题的关键 。事实上，最大的翼龙是否真的能飞向天空一直是学术界争论的焦点 。反对派学者认为，从生物力学的角度来看，这么大的翼龙不可能从地面上飞起来 。然而，如果这些超过10米长的翼龙不能飞行，它们典型的飞行适应性特征就无法解释了 。
近年来，布里斯托尔大学的生物力学小组已经成功地完成了一些关于翼龙起飞能力的古生物学功能研究 。帕尔默博士的研究发现，翼龙四足起飞的机械模型可以支撑很大的重量范围 。换句话说，即使翼展超过10米的风神翼龙也可以用它们的四肢(翅膀的后部和腕部)施力并飞离地面 。相比之下，鸟类只靠后腿的力量起飞 。也许翼龙独特的起飞模式更适合较重的飞行模式，因此对类似大小的人类设计的飞机的起飞可能有有趣的启示 。
此外，在气流控制方面，翼龙的翅膀没有鸟类复杂的羽毛系统所带来的独特飞行优势 。与具有相同膜翼模式的蝙蝠相比，翼龙的翅膀不像蝙蝠那样均匀地分布在翼膜之间，并且具有强有力的支撑手指 。相反，翼龙单指支撑的机翼表现出极高的空气动力学稳定性 。因此，研究翼龙机翼薄膜的纤维结构和机翼的控制形式有助于提高飞机在气流中的可控性和稳定性 。

达芬奇发明了什么飞行器 已知最大的能飞行的翼龙是

文章插图
例如，翼龙的膜状翅膀是多层分布的，一种称为“放射状纤维”的纤维，它极大地提高了翼龙翅膀膜的抗拉强度(材料承受拉力而不断裂的最大应力)和韧性 。因此，翼龙可以达到其他飞行动物只能通过功能性手指和膜状翅膀实现的效果，而无需骨骼参与(蝙蝠特有的指骨参与膜状翅膀和鸟类复杂羽毛系统的构建) 。这很有趣 。这项技术具有极高的商业和军事价值 。目前，古生物学家和军事实验室正在联合研究和开发这种结构的飞机 。


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