翼龍的體重與飛行原理研究

王宇航

【摘 要】大型翼龍的體型和飛行力學之間的關系在上世紀受到了相當大的研究關注，但是卻因為翼龍生物學和飛行能力對此問題的闡述的爭議懸而未決。古生物學家認為目前為止發現最大的飛行生物——風神翼龍的體重為70-300kg之間，那么，風神翼龍能長到300kg這么胖嗎？從飛行理論的角度上看，完全是可以的。另外再從生物學角度來分析，可能也是可行的。

【關鍵詞】古生物 飛行動物 風神翼龍 生物學

1 有翼物體為什么會飛

有翼物體（火箭和導彈除外）飛行的原理基本就是以翅膀為載體，靠速度換升力。最常見的例子就是風箏和紙飛機。飛行理論依據主要是伯努利原理和牛頓第三定律。

以飛機為例，對飛機整機做受力分析可以看出，飛機受到四個外力的作用，分別是向上的升力，鄉下的重力，向前的推力和向后的阻力。從受力分析可知，只有當升力大于等于重力的時候，才能保證飛機不會掉下來。升力主要是由機翼提供。

升力主要來源于兩方面。第一，氣流在翼型前緣點被分為上下兩部分，最后在翼型后緣匯合。但因翼型上下表面形狀不對稱，氣流沿翼型上表面運動的距離長，自然流速快，根據伯努利定理，速度快的氣壓小，這樣就形成下翼面壓強大于上翼面壓強，從而產生升力。如下圖1所示。

不過，這個理論肯定不是物體飛行的唯一解釋。這個理論的一個錯誤在于，認為“機翼上下表面不對稱”是升力之源。然而上下對稱的機翼并不罕見，最常見的例子就是紙飛機，紙飛機在滑翔過程中一樣可以產生升力。此外，現代飛機廣泛采用的超臨界翼型，出于減阻目的，其下表面的長度實際上是比上表面長度還長的。同時，這個理論也完全無法解釋戰斗機是如何倒飛的。

第二就是來源于空氣對翼型下翼面的反作用力，就像打水漂一樣，石子在快速滑過水面時，會排開水體從而獲得反向的作用力重新離開水體，飛機在飛行時不斷向下推開空氣，從而依靠反作用力獲取升力。如下圖2所示。

這個理論的顯著錯誤在于，它認為產生升力的主要是機翼下表面，機翼上表面的貢獻可以忽略。這也就引申出一個結論：機翼下表面不變，則上表面的形狀改變不會導致升力改變——這顯然是不對的。一個典型的例子是擾流板，當機翼上表面的擾流板打開時，下表面毫無變化，上表面可以說形狀改變不大，但是結果卻非常顯著——某些飛機著陸時僅打開擾流板就可以減少一半以上的升力。

所以，物體飛行的條件是，至少這兩種力在為提供升力做貢獻。

2 風神翼龍的起飛的身體條件

300kg的翼龍，他的翼載負荷大概在600牛頓每平方米左右。撲翼時最大會受到兩倍重力過載，翼面積至少要90平方米以上。單翼面積約為45平方米。風神翼龍飛行形象估計為為4米的體長，13米多的翼展，3米多的翼寬，翅膀振幅3米，以滑翔為主。這個和生物學家發現的風神翼龍化石十分類似。

所以，從理論上講，300kg體重的翼龍是能飛的。

3 食物來源

300kg的體重在休息狀態下，一天大概需要8000大卡，差不多也就是吃下十斤牛肉。這些食物來源在遠古時期的環境下獲取，應該不算困難。因為當時地球上還有很多體重超過50kg的大型哺乳類動物和魚類。

綜上所述，從飛行、食物和身體結構方面考慮，風神翼龍的體重可以達到300kg。

參考文獻：

[1]D.F.安德森.《認識飛行（第2版）》[J].航空工業出版社，2011年第1版.

[2]馬丁西蒙思.《模型飛機空氣動力學》[J].航空工業出版社，2007年6月第一版.