鸟类飞行原理：体重与翼展的比例及功能进化

以下是对鸟类飞行具有重要意义的尺度比例的总结，基于Greenewalt（1975年）、Rayner（1988）和Norberg（1990）的研究。对尺度比例的考察从来都不是精确的，而是给相关维度的数量级提供了一些参考。

体重2 g的蜂鸟翼展范围约8 cm，而对于体重10 kg的信天翁，其翼展超过了3 m。翼展随身体质量的变化是呈指数增长的，约是质量的0.4次方。与蜂鸟相比，对于1／3的等距指数（基于质量与长度成正比）可以预测体重10 kg信天翁的翼展为2.2 m。鸟类的各种功能或分类类群的指数变化为0.4左右，而这在蜂鸟中是非常高的，其数值略高于0.5。一般来说，这个值的变化也很大，对于体重1 kg鸟类，翼展可以在0.5～1.7 m。

当我们考虑翅膀的面积时，蜂鸟的特殊几何位置变得更加明显。等距关系将翅膀面积与质量的2／3联系起来。大多数鸟类的指数约为3／4，而蜂鸟的指数约为1。体重3 g蜂鸟的翅膀面积约为10 cm2，对于个体重达到12 g的蜂鸟，翼展可达40 cm2。除此之外，其他鸟类之间的差异总体来说也很大，体重1 kg的鸟类的面积变化可达到8倍。

蜂鸟的翼载（体重除以翅膀面积）较低，在20 N·m-2处基本不变，但在其他各组间差异较大。等长关系中，这个值约为体重的1／3次方。实际上，蜂鸟的指数为零，雀形目的指数为0.22，鸭子和其他岸上鸟类的指数为0.29。大型海雀的鸟翼负重最高，对于1 kg的质量，其翼载可达到230 N·m-2，这个数值是其他鸟类，如同样大小的鸭子的2倍多。这一高值反映出海雀利用翅膀进行水下飞行的能力。在水下飞行中，海雀不会完全伸展翅膀，但是仍然必须移动比空气密度高1 000倍的介质。在空中飞行时，这些鸟则需要高频率拍打双翼来补偿相对较小的翅膀尺寸。捕食鸟的翼载通常在30 N·m-2左右，这表明它们携带大型猎物的能力很强。(www.xing528.com)

展弦比（AR=宽度平方除以翅膀面积）对于大宽度和窄翅的鸟类来说很大，例如信天翁（AR∶14）和雨燕（AR∶10），而对于像野鸡（AR∶5）的短宽翅膀就很低。它是一个或多或少与身体质量无关的形状因素。这也告诉了我们，飞行性能取决于翅膀的哪些部分，又是哪个部分贡献了翅膀的展弦比。一般情况下，具有高展弦比的鸟类速度较快，阻力较低。手翼占据翼展的大小对鸟的飞行能力有很大影响。信天翁的手翼比例不到50%，而雨燕为75%，这在一定程度上解释了信天翁不擅长低速机动的部分原因，尤其是在恶劣风力条件下。低宽径比的鸟类能够缓慢地滑行和迅速地起飞，或者擅长短程复杂的飞行。在这一类别中，宽大的手翼通常构成机翼面积的较大部分。

手翼锋利前缘所占翅膀长度比例的初步测量有很大的差异，这与优势飞行行为有较好的相关性。众所周知，能够高飞的鸟类（秃鹰和鹳）的手翼占翅膀总长的40%～45%。这一比例略低于极端滑翔者（信天翁），其手翼占翅膀总长度的1／2。鸣鸟手翼长度占比集中在70%左右，而更敏捷的更快的飞行者，包括雨燕和游隼，通常达到75%。我们发现蜂鸟的翅膀是最极端的，手翼长度超过了总翅膀长度的80%。