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方圆之间能负千钧:藏在羽毛杆中的秘密

望着天空飞过的鸟儿,人们常常希望能够像它们一样长出一双翅膀。鸟儿翅膀的羽毛中藏有不少秘密,机智的你可能已经知道羽杆是中空的,有许多泡沫状的孔洞,里面充满空气,这样一方面能够保证其力学强度,另一方面能减轻羽毛的重量。不过,你知道羽杆的横截面是什么形状么?或许你会不假思索的回答:圆形!对,也不对。最近,来自美国加州大学圣地亚哥分校Marc André Meyers教授和Bin Wang博士展示了一个意料之外但又情理之中的结果:羽杆的横截面形状是由圆形和方形一同组成的


首先来看下面的这幅图。上面的图片是海鸥羽毛的截面,而下面的图则是孔雀尾羽与鸵鸟羽毛的横截面。从图片中我们可以清晰的发现,海鸥翅膀的羽毛的截面是方形的,而孔雀和鸵鸟的羽毛截面则偏向于圆形。两者之间还有一个区别:海鸥翅膀的羽毛是用于飞翔的,而孔雀和鸵鸟的尾羽则不是。

a)海鸥羽毛;b)孔雀尾羽;c)鸵鸟羽毛。图片来源:Adv. Sci.


对于其他能够飞翔的鸟类,它们翅膀的羽毛是否也像海鸥的羽毛一样?研究者研究了其它几种典型的鸟类(如乌鸦、秃鹫)的羽毛,发现它们翅羽的羽杆从根部到末端都存在一个从圆形向方形转变过程。通过模拟圆柱形和方形管的弯曲过程,研究者们发现了其中的奥秘:方形管的弯曲刚性与模量要比圆形管高24.2%左右。研究者们发现,方形管在力的作用下发生形变要比圆柱形管慢一些,这主要是由于方形的上表面具有更大的接触面积,能够分散应力。事实上,这一形状上的转变能够抵消羽毛的末端为了减少飞翔过程中来自侧面的阻力、节约能量及减轻重量所造成的强度上的牺牲。

海鸥、乌鸦、秃鹫的翅羽羽杆从根部到末端的横截面变化。图片来源:Adv. Sci.


除了宏观形状,羽杆的微观结构也是其良好的力学性能的原因之一。羽杆的外皮是由纤维状的角蛋白所组成。下图可以比较好的表明羽杆中纤维的排列状态。首先,在靠近根部的圆形羽杆中,其最表层有一层较薄的、方向平行于表面且与羽管方向正交的纤维组成,而内部的纤维则均平行于羽杆方向排列;临近末端的方形的羽杆内部纤维可分成上下表面和侧面,上表面依旧存在平行于表面但略微斜交于羽杆方向的皮层,但底面与侧面则不存在这样的皮层,所有纤维都沿着羽杆方向平行排列;而在末端截面处则没有前两个位置上的表面皮层,所有蛋白纤维均沿羽杆方向排列。

羽杆蛋白纤维排列图。图片来源:Adv. Sci.


这项有趣的研究为我们揭示了羽毛力学强度的秘密,很好的展示了宏观结构与微观结构如何配合提升材料的性能,而这一研究也将为人们设计类似的轻质、高强度材料提供灵感。


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Light Like a Feather: A Fibrous Natural Composite with a Shape Changing from Round to Square

Adv. Sci., 2017, DOI: 10.1002/advs.201600360


(本文由YHC供稿)


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