蜻蜓的外部形态特征与蜻蜓起飞和飞行的关系初探(下)

蜻蜓的外部形态特征与蜻蜓起飞和飞行的关系初探(下)——第二十届全国青少年科技创新大赛三等奖作品作者：刘锦程文章来源：创新研究院网站编者按：本项目曾获第二十届(2005年)全国青少年科技创新大赛动物学类三等奖。研究实验（五）观察蜻蜓是如何飞行的首先用棉线捆住蜻蜓的胸部，将棉线的另一端系在室内高处横杆上。用数码照相机拍下蜻蜓飞行的过程，然后进行图像观察和分析。1、蜻蜓飞行时、蜻蜓翅的振动模式蜻蜓飞行时，翅上下拍动，同时翅沿翅轴转动，迅速改变翅的角度，在翅下拍至最底点时，蜻蜓翅快速向外旋转；而在翅上抬至最高点时，蜻蜓翅又快速向内旋转，这种振翅方式是昆虫中最简单的一种振动模式。同时，蜻蜓在飞行时，前翅与后翅是各自分别拍动的，只是前翅的动作比后翅的稍慢,前后差距大约是上下拍动所需时间的八分之一。因此在一定时间内蜻蜓翅的上下拍动是一致的，有时却恰好相反，蜻蜓振翅频率非常快，每秒钟可振动16——40次。（见上图）（注：对蜻蜓翅的振动模式观察与参考书记载一致）2、观察蜻蜓去掉翅痣、剪断前缘脉、亚前缘脉基部和剪去半翅与全翅后，对蜻蜓飞行的影响。A.在蜻蜓翅的前缘近顶角处有翅痣，它是用来消除蜻蜓飞行时翅的振颤，去掉蜻蜓翅痣，蜻蜓飞行时，就会象喝醉了酒一样遥遥摆摆飘忽不定。B.剪断蜻蜓前、后翅的前缘脉、亚前缘脉基部,蜻蜓无法飞行,C.从翅节处剪去一半前翅，飞行不稳，速度降低。；D.剪去全部前翅，蜻蜓无法飞行E.剪去后翅的一半，飞行不稳，速度降低。F.剪去全部后翅、无法起飞，抛向空中后，迅速下降，落地。3、蜻蜓飞行时腹与足的作用蜻蜓飞行时，身体非常灵活，它即能快速飞行，迅速变换方向和高度，又能在某一高度缓缓滑翔，或浮在半空中，甚至还能倒飞、侧飞、上下直飞。而这一切都是由于蜻蜓的腹部在起作用。蜻蜓在飞行时，腹部经常卷起或弯曲，这是用来改变蜻蜓的飞行速度、方向和高度的。六足在飞行时收缩叠加到胸前，就象飞机起飞后将轮子收起一样是为了减少飞行阻力。（见下图）（见表十三）当我们将蜻蜓的腹部去掉一半时，蜻蜓只能直飞，无法改变飞行方向或在空中滑翔，而且飞行速度和高度也有所降低。将蜻蜓的腹部全部剪掉，蜻蜓无法飞行。（见表十三）（见下图）四·实验结论通过对三种蜻蜓的外部结构进行观察与测量，我们对蜻蜓各个部位的长度、重量、体积及它们之间比例关系有了清楚的了解。A.蜻蜓的体长越长、自身的头、胸、腹、翅、足也越长。B.蜻蜓的自体越大，其头、胸、腹、翅、足也相对越重，C.蜻蜓整体的体积与蜻蜓的头、胸、腹、翅、足的体积成正比。D.同一种蜻蜓，虽然有大有小，但其头、胸、腹、前后翅和前、中、后足的比例一致。E.同一种蜻蜓，虽然有大有小，但其体长与前、后翅长的比例一致。F.同一种蜻蜓，虽然有大有小，但其腹长与前、后翅长的比例一致。G．蜻蜓翅的面积与蜻蜓自体的大小成正比。H．我们观察了蜻蜓翅的结构，发现蜻蜓翅的管状翅脉较硬又有一定的弹性，起着支撑和加固翅的作用；蜻蜓翅的结构，决定了蜻蜓的飞行能力。（二）在观察测量三种蜻蜓空中负重飞行能力及最大负重量时，我们得到的结论是蜻蜓身体越大，在空中负重飞行能力就越强。就伟蜓而言，负重达到1.29克，是自身重量的1.5倍。（三）蜻蜓在起飞前和起飞瞬间，六足各有分工，且配合默契，而剪去中、后足，对蜻蜓的起飞有很大的影响。蜻蜓在起飞前和起飞瞬间六足的站立方式不同，起飞前，中后足用于抓牢物体使身体保持平衡。前足起辅助作用，起飞瞬间，前足首先折叠到胸与头之间，中后足为起飞起助推作用。去一对前足对起飞没有影响。正常情况下，蜻蜓起飞大于45度角，前飞或侧飞，去掉中足对起飞有影响。起飞角度缩小，速度变慢。去掉后足对起飞有很大影响。若将蜻蜓的足全部去掉，起飞角度在大于0度小于45度之间。起飞距离加大，而且起飞速度会降低一半左右。蜻蜓起飞的瞬间，变换翅的角度，增加振翅频率，随着拍动频率的加快，当升力大于自身重量时，蜻蜓起飞，中后足为起飞起助推作用。（四）蜻蜓在飞行时，各部位的变化，使其能在空中保持良好的状态。A.在蜻蜓飞行时，由于上升气流与下降气流同时存在，再加上蜻蜓的振翅频率高与空气摩擦大，所以翅向下振动时，翅后部便会上翘，而翅向上振时，翅后部便会下垂。B.翅痣在蜻蜓飞行的过程中有转移重心、保持飞行平稳的做用。当翅痣距翅基的长、平均约占蜻蜓翅总长的百分之七十到八十；翅痣的长、平均约占蜻蜓翅总长的百分之五到百分之十五；翅痣距顶角的长、平均约占蜻蜓翅总长的百分之五到百分之二十这一范围内，蜻蜓能够保持平稳飞行。如果翅痣距翅基的长度过短，则无法起到保持蜻蜓平稳飞行的做用；如果翅痣距顶角的长度过短，则蜻蜓翅极易折断。剪去蜻蜓翅痣，蜻蜓无法正常飞行。C．剪断蜻蜓的前缘脉、亚前缘脉基部，蜻蜓无法起飞，但将蜻蜓抛起，蜻蜓可以滑翔一段距离；剪去蜻蜓半翅，蜻蜓可以飞行，但起飞角度小、飞行距离短、飞行高度低；剪去蜻蜓全翅时，蜻蜓无法飞行。D.蜻蜓在飞行时，腹部的卷起、弯曲或伸直，可以调动蜻蜓飞行的快慢、高度、悬停和方向。E.蜻蜓飞行时，六足收缩折叠在胸部，以减小阻力。五·讨论与分析（一）蜻蜓是昆虫中的飞行高手，虽然蜻蜓的翅重只有0.0186克（伟蜓的一个后翅），但翅的面积确达6.1平方厘米（伟蜓的一个后翅）。这就使蜻蜓在振翅时，能够获得较大的升力。蜻蜓翅的网状结构及拍动频率的快慢确定了蜻蜓的飞行速度和空气推动力，振动频率越快，飞行速度就越快。反之越慢。（二）蜻蜓在起飞前的瞬间，翅的前缘向上，后缘向下。使蜻蜓翅与前方来流形成攻角，这时翅的下方形成高压区，翅的上方形成低压区，此时通过中足与后足的助力作用，使蜻蜓轻而一举地获得了升力。（三）我们在实验过程中，采取的是绳捆悬吊的实验方法，这与蜻蜓自由飞行是有差异的,因此有待以后继续深入探究。（四）蜻蜓在负重飞行时，遇到四级以上的阵风会被吹落，这又给我们研究制造微型仿生飞行器带来了新的难题。（五）蜻蜓的最大优点不是它的飞行能力，而是蜻蜓的灵活性。它即能在飞行中快速变换方向又能在某一高度缓缓滑翔，还能悬浮在半空中，这种能力主要是蜻蜓的腹部变化和振翅频率在起作用。六·收获与体会微型飞行器的作用很大，全世界都在研究与探索，一旦获得成功，将会在搜寻、救援、环境监控，侦察和太空探索方面发挥巨大作用。通过实践，自己初步了解了蜻蜓起飞与飞行的基本技巧和方法。掌握了蜻蜓各部位的结构比例与数据，了解了蜻蜓的飞行能力与本事。同时也懂得了我们身边科学无处不在，要想搞好科研工作，就必须以认真严谨的态度对所要探求的问题进行分析、观察、记录，而且还要有吃苦耐劳的精神和一丝不苟的工作作风。仿生学是一门综合性科学，需要有很强的综合知识和能力。在实验工作中，不能有一丝一毫的差错，只有通过大量的实验数据的积累，才能得出规律性的认识。才能提出前人没有提出的新的观点，才能不断攀登科学的高峰。此次试验由于自身知识的不足和实验条件的限制，有的方面不能进行更深入地研究，还有待于今后进一步地探究。这次的课题研究，无论是在选题、实验设计、测量方法上，还是在试验过程中，都得到了北京青少年科技馆生物组刘永生老师、北京市第八十中学的张焕英老师的指导和帮助。同时在这次试验过程中，我还得到了中国科学院动物研究所研究员、博士生导师刘友樵教授；北京理工大学博士生导师王保国教授和北京理工大学实验室王易老师对我的支持和鼓励。没有您们的支持和帮助，我无法完成小论文的准备和参赛。在此表示衷心的感谢！2004年10月参考文献：1刘永生、刘友樵编审少年宫昆虫/太原山西教育出版社19962隋敬之、孙洪国编著中国习见蜻蜓/北京农业出版社19843王音、周序国编著观赏昆虫大全/北京中国农业出版社20044徐建安编著轻型飞机飞行基础/美国中国科学技术出版社2004.35蔡邦华编著昆虫分类学/北京财政经济出版社19566程墓林编著昆虫的振翅飞行原理研究进展/北京北京大学出版社1998(完)作者：刘锦程（北京市第八十中学初三年级）辅导教师：刘永生(北京市青少年科技馆)