Почему стержень пера меняет форму с круглой на квадратную под нагрузкой

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего впервые объяснили, почему стержень (рахис) пера меняет форму с круглой на квадратную при механической нагрузке. Результаты опубликованы в Advanced Science.

Природа обычно предпочитает круглые формы. Квадратные сечения встречаются редко: хвост морского конька, лиана из Амазонии и стержень пера.

Используя фундаментальные уравнения механики и эксперименты с модельными материалами, учёные показали, что квадратная форма обеспечивает бо́льшую жёсткость и более высокое сопротивление овализации и продольному изгибу, чем полая круглая форма того же веса.

«Самое удивительное, что это отражает классическую механику из учебников, — сказал старший автор работы Марк Мейерс. — И, очевидно, птицы этот предмет не изучали».

Овализацию можно наблюдать, сгибая соломинку для напитков: её сечение постепенно меняется с круглого на овальное, а жёсткость снижается. Однако перья летающих птиц с сечением от круглого к квадратному сохраняют свою жёсткость при изгибе.

Для сравнения, на перья, не участвующие в полёте (например, перья крыльев страуса или хвоста павлина), такие ограничения не действуют, и их стержни не меняют форму.

Это связано с тем, что перо — высокоспециализированный придаток, позволяющий птицам летать, создавая тягу и подъёмную силу. Его механические свойства оптимизированы, а вес минимизирован.

Кора стержня пера представляет собой волокнистый композит с меняющейся ориентацией волокон по длине, адаптируясь к локальным нагрузкам:

• Увеличение количества осевых волокон обеспечивает достаточную изгибную жёсткость.
• Перекрещенные волокна обеспечивают разумную гибкость и крутильную жёсткость.

Эти особенности символизируют уникальную адаптацию перьев для оптимизации жёсткости и лёгкости — природную структуру, вдохновляющую на создание передовых инженерных конструкций.

«Природа действительно удивительна, — сказал ведущий автор Бин Ван. — И так прекрасно смотреть на неё с человеческим знанием».

Результаты могут быть использованы для создания более прочных и жёстких квадратных структур, заполненных пеной, для лёгких транспортных средств, таких как дроны и другие летательные аппараты, а также для других типов энергоэффективных конструкций.