顾氏小盗龙及其飞行

这两只是Safari 的迷你小盗龙改模重涂,原模是最早的双腿平展的复原,解剖上并不合理。至于小盗龙是双翼机模式还是单翼机模式,以及是否有主动飞行能力接下来会讨论。

楼主 ZAKUSEA  发布于 2019-03-20 23:39:00 +0800 CST  
顾氏小盗龙的双翼机模式由Sankar Chatterjee等提出,当然实际上小盗龙的尾羽也能提供相当的升力,实际是五个翼面。双翼机模式允许腿部不对称飞羽的窄边迎向空气来流的方向,发挥空气动力学功用,Sankar Chatterjee等通过模拟计算,认为双翼机模式的小盗龙可以采取波浪式滑翔在树木间运动。


David E. Alexander等人用羽毛、泡沫等材料做了几个小盗龙自由滑翔模型,复原不同腿部配置(平展或Chatterjee双翼机),看看滑翔的性能如何。结果发现这些模型都可以成功滑翔,双翼机也可以很好地滑翔,下降速度相比双腿平展的模型更为平缓,着陆速度较低,其下降期间的空速为5.42 m.s -1,与着陆速度差异不大(5.38 m·s−1)。不过Alexander等人认为双翼机模式会导致头部需要增加大量配重才能保持平衡,不现实。不过这只能代表 Chatterjee等人的双翼机模型可能不现实,实际上小盗龙的后翼位置可能不一样,比如可以像我做的模型一样更靠后,这样就不需要在头部加那么多配重。




Gareth Dyke等人也用羽毛(不对称飞羽),纸皮等建造了几个不同腿部配置的小盗龙模型,放进风洞里看看滑翔性能如何,他们也有做双翼机模型,不过他们的腿部是带一些外展的。


结果双腿下垂的模型在滑翔初段会损失更多高度,同时换取更高的滑翔速度和更高的稳定性,稳定滑翔距离更远。而双翼机模型在滑翔初段可以保持更高的高度,相对滑翔速度较慢而不稳定,稳定滑翔距离较短。
在15米以下高度开始滑翔,双翼机模型滑翔得更远,而在20米以上高度开始滑翔则是双腿下垂模型滑翔得更远。20-30米的高度被认为与当时热河地区森林树木的高度一致。




如果考虑不稳定状态下滑翔,则双翼机有更远的滑翔距离,下图浅色部分为不稳定滑翔的距离,深色为稳定滑翔的距离。不过Dyke等人认为小盗龙比较原始没有足够的飞控能力在不稳定状态下滑翔。这一点我不太认同,因为小盗龙腿部附着的是不对称飞羽这种飞行专业化羽毛(后面还有论述),如果小盗龙从来不能从腿部不对称飞羽形成的双翼获益,恐怕这种性状不太能保留下来。至少小盗龙是有可能在双翼机和双腿下垂两种模式切换的。






关于不对称飞羽的飞行专业性,Dyke等人也做了研究,他们也做了一些纸皮模型,但上面没有不对称飞羽,放进风洞进行测试,结果发现滑翔性能跟有不对称飞羽的模型很相近,因此Dyke等人认为对于滑翔来说,不对称飞羽不是最重要的,重要的是足够大的翼面积,低翼载,不对称飞羽是进一步专业化的演化结果。
总的来说,小盗龙的空气动力学效率较低,采取高阻力、高升力(翅膀短而宽)的滑翔风格,高阻力提供了稳定性,适合在树木间的中短距离滑翔。


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楼主 ZAKUSEA  发布于 2019-03-21 01:06:00 +0800 CST  
那么小盗龙有没有主动的扑翼飞行能力呢?
T. Alexander Dececchi等人通过对建模评估扑翼是否有助非鸟兽脚类恐龙攀升,跑步,跳跃,他们的计算显示除了小盗龙、始祖鸟,其他非鸟兽脚类恐龙都不能通过扑翼提升它们攀升、跑步、跳跃的表现,因此他们认为鸟类扑翼起源与这些无关。他们的研究有顾氏小盗龙扑翼数据,可以估计小盗龙的扑翼飞行能力。由于非鸟兽脚类恐龙肩带结构的限制,研究模型设定扑翼的角度最大90度,就是说翅膀最多就是平举,不能过肩。


扑翼辅助攀升表现如下图,线条下部代表扑翼角度50度,上部线条代表扑翼角度90度。

WAIR stageI代表最基础的扑翼辅助攀升能力,可以支撑6%的体重,现代石鸡幼鸟可以达到WAIR stage II,扑翼可以支撑50%的体重。顾氏小盗龙我们可以看到90度扑翼角度下,可以接近支撑50%体重。就是说地面的小盗龙可以通过扑翼快速爬上树。




扑翼辅助跳跃(leaping)、奔跑(running),线条下部代表扑翼角度50度,上部线条代表扑翼角度90度
我们可以看到90度扑翼角度下顾氏小盗龙扑翼+跳跃可以增加接近50%的高度,那么在地面扑翼起跳的顾氏小盗龙可以更容易跳上树,而在树上起跳时扑翼可以增加滑翔初始高度。模拟计算出顾氏小盗龙的起飞速度是 5.1 m/s(大约时速18.36公里),理论上顾氏小盗龙有原地跳跃扑翼起飞的能力。


我们同样可以看到90度扑翼角度下顾氏小盗龙扑翼+奔跑时水平速度可以达到+150%,但是这里有个问题,腿上附着长长飞羽的顾氏小盗龙能跑吗?不过就算不能跑,通过之前的模型研究我们知道顾氏小盗龙的滑翔速度超过5.1m/s,那么它通过扑翼可以很容易就保持速度不低于5.1m/s,就是说顾氏小盗龙不仅仅能滑翔,而且可以在空中扑翼飞行,虽然可能因为阻力,耐力的关系,不能长时间扑翼飞行(很多现代的林鸟也是一样),因此顾氏小盗龙绝对不是像鼯鼠一样的滑翔动物,而是有主动飞行能力,具有不错的空中机动性,所以它才可以捕食鸟类。




楼主 ZAKUSEA  发布于 2019-03-21 02:18:00 +0800 CST  
参考文献:
Sankar Chatterjee et al. Biplane wing planform and flight performance of the feathered dinosaur Microraptor gui .


David E. Alexander et al. Model tests of gliding with different hindwing configurations in the four-winged dromaeosaurid Microraptor gui.


Gareth Dyke et al.Aerodynamic performance of the feathered dinosaur Microraptor and the evolution of feathered flight.




T. Alexander Dececchi et al. The wings before the bird: an evaluation of flapping-based locomotory hypotheses in bird antecedents.

楼主 ZAKUSEA  发布于 2019-03-21 02:27:00 +0800 CST  
腿部附着飞羽的鸡。

楼主 ZAKUSEA  发布于 2019-03-21 17:24:00 +0800 CST  
顾氏小盗龙抓鱼或许可以参考伯劳,这是一类机会主义的肉食性鸣禽,哺乳动物,两栖,爬行动物,鸟类,鱼类,昆虫都吃。它们虽然没有捕鱼特化的身体结构但有机会依然会吃鱼。

楼主 ZAKUSEA  发布于 2019-03-22 12:36:00 +0800 CST  
顾氏小盗龙的起飞速度估算值为5.1m/s,又根据模型估算小盗龙扑翼可以提升150%的水平速度(running部分的图表),而根据模型测试小盗龙滑翔时通过不断损失高度将势能转换为动能使速度保持在5.1m/s以上。那么我们可以这样认为当小盗龙以5.1m/s速度滑翔时,它扑翼就可以加速到12.7m/s左右,这已经远超过小盗龙的起飞速度,而且不需要损失高度,就是说小盗龙可以通过扑翼维持飞行。

楼主 ZAKUSEA  发布于 2019-03-23 00:22:00 +0800 CST  
当然小盗龙的主动飞行能力都是基于模型的理论计算,有很多假设的前提。不过小盗龙具备捕食灵活或地面/水面猎物的能力,现代未见如此高机动的滑翔动物。

楼主 ZAKUSEA  发布于 2019-03-23 07:54:00 +0800 CST  
其实更像喜鹊

楼主 ZAKUSEA  发布于 2019-03-23 11:23:00 +0800 CST  
鸽子有些腿上长毛,经过培育成为专门的观赏或特技(空中翻滚)品种。

楼主 ZAKUSEA  发布于 2019-03-23 23:41:00 +0800 CST  
腿上长毛的鸽子飞行,由于腿上的羽毛生长混乱无法形成紧密的平面,因此基本不会产生升力,只会产生阻力。当然这个阻力不影响鸽子短距离飞行,或许可以跟鸽子腿绑上紧密的飞羽翼面做实验。

楼主 ZAKUSEA  发布于 2019-03-24 17:17:00 +0800 CST  

楼主:ZAKUSEA

字数:3014

发表时间:2019-03-21 07:39:00 +0800 CST

更新时间:2019-09-01 12:42:23 +0800 CST

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