A faster cruising speed increases drag and thereby the thrust ( T ) needed to fly, while weight and lift ( L ) requirement remains constant. Birds can adjust their wingbeat in multiple ways to accommodate this change in aerodynamic force, but the relative costs of different strategies remain largely unknown. To evaluate the efficiency of several kinematic strategies, I used a robotic wing [E. Ajanic, A. Paolini, C. Coster, D. Floreano, C. Johansson, Adv. Intell. Syst. 5 , 2200148 (2023)] and quantitative flow measurements. I found that, among the tested strategies, changing the mean wingbeat elevation provides the most efficient solution to changing thrust-to-lift ratio ( T / L) , offering insight into why birds tend to beat their wings with a greater ventral than dorsal excursion. I also found that although propulsive efficiency (η p ) may peak at a Strouhal number ( St , measure of relative flapping speed) near 0.3, the overall efficiency of generating force decreases with St . This challenges the expectance of a specific optimal St for flapping flight and instead suggest the chosen St depends on T / L . This may explain variation in preferred St among birds and why bats prefer flying at higher St than birds [G. K. Taylor, R. L. Nudds, A. L. Thomas, Nature 425 , 707–711 (2003)], since their body shape imposes relatively higher thrust requirements [F. T. Muijres, L. C. Johansson, M. S. Bowlin, Y. Winter, A. Hedenström, PLoS One 7 , e37335 (2012)]. In addition to explaining flapping strategies used by birds, my results suggest alternative, efficient, flapping motions for drones to explore aiming to extend their flight range.

中文翻译：

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空气动力学效率解释了鸟类使用的拍打策略


更快的巡航速度会增加阻力，从而增加飞行所需的推力 （ T ），而重量和升力 （ L ） 要求保持不变。鸟类可以通过多种方式调整它们的翅膀拍打以适应空气动力的这种变化，但不同策略的相对成本在很大程度上仍然是未知的。为了评估几种运动学策略的效率，我使用了机器人机翼 [E. Ajanic， A. Paolini， C. Coster， D. Floreano， C. Johansson， Adv. Intell. Syst. 5 ， 2200148 （2023）] 和定量流量测量。我发现，在经过测试的策略中，改变平均翼拍高度为改变推力升力比 （T / L） 提供了最有效的解决方案，可以深入了解为什么鸟类倾向于以更大的腹侧而不是背侧偏移来拍打翅膀。我还发现，尽管推进效率 （η p ） 可能在接近 0.3 的 Strouhal 数（St，相对拍打速度的量度）处达到峰值，但发电力的整体效率随着 St 的降低而降低。这挑战了对扑翼飞行的特定最佳 St 的期望，而是建议所选的 St 取决于 T / L 。这可以解释鸟类之间偏好 St 的变化，以及为什么蝙蝠更喜欢在更高的 St 飞行而不是鸟类 [G. K. Taylor， RL Nudds， AL Thomas， Nature 425 ， 707–711 （2003）]，因为它们的体型施加了相对较高的推力要求 [F. T. Muijres， L. C. Johansson， M. S. Bowlin， Y. Winter， A. Hedenström， PLoS One 7 ， e37335 （2012）]。除了解释鸟类使用的拍打策略外，我的结果还为无人机提供了替代的、有效的拍打动作，以探索以扩大其飞行距离。