2.4 抗彎曲結構——鳥類羽軸

隨著自然的進化，大千世界存在許多飛行動物。鳥類作為自然界最好的飛行家，具有極強的飛行能力。在飛行過程中，其主要依賴羽翼執行飛行動作，當鳥類等飛行動物沿水平路線飛行時，翅膀向前下方揮動產生升力和推力，當推力超過阻力時，并且升力等于體重時就能保持繼續向前的速度。鳥類所受的升力與阻力的比值越高、滑翔角度越小時，鳥類的下沉速度也越慢，可以產生較遠的水平滑翔距離^[6]。作為鳥類最基本的飛行方式之一，撲翼飛行方式可以使鳥類憑借健碩的肌肉扇動雙翼產生運動所需的能量，從而促進翅膀規律運動的產生^[7]。相比滑翔飛行而言，撲翼飛行的優越性更為明顯，可提供持續的推力、提高續飛能力、降低總能耗、提高運動靈活性和穩定性。而撲翼飛行靠單一系統無法執行，需要整個系統合作完成，其中羽毛的存在對鳥類的飛行起到了至關重要的作用。鳥類翅膀的形狀、翼幅、負載、翼面弧度、后掠角以及飛翔的位置，均隨每一扇翅而發生顯著變化。

羽毛是鳥類特有的表皮衍生物，同時承擔著保暖和飛翔的兩種功能。根據形態特征，可將羽毛劃分為正羽（亦稱廓羽）、絨羽、半羽、纖羽、剛毛等類型。正羽由羽軸及其兩側的羽翎組成。多個羽枝構成羽翎，羽枝在羽翎上以平行排列的方式排布，其與羽軸之間往往呈現不平行，且存在一定的夾角。我國科學家提出鳥類羽毛的早期演化主要經歷四個階段：首先鱗片延長，其后鱗片中部增厚、出現羽軸，分化出羽枝，最后長出羽小枝和羽小鉤等構造，形成了現在常見的羽毛，如圖2-4所示。飛羽的主要載荷部位是羽片，但羽片的全部載荷都要通過羽軸傳遞給身體。因此，羽軸的力學性能對其最大載荷有著明顯的影響。

圖2-4 羽毛構造

羽軸如何承受這么大的載荷？這主要歸功于羽軸包含皮質和髓質兩部分，皮質位于外層，髓質位于內側，被皮質包裹，我們可以把由皮質和髓質組成的結構看成一種三明治結構，這種結構使羽軸整體具有較高的楊氏模量。除此之外，髓質由大量的空泡狀腔室組成，如圖2-5所示，腔室間的緊密連接和對應力的傳遞效應有利于將點載荷轉化成面載荷分配到整個羽軸，大大減小了受力點的折斷風險。同時，腔室受拉伸和壓縮變形，這種變形機制將使髓質產生蓄積較大的勢能，并產生復制效應不斷反饋于初始空間，這也是髓質對羽軸抗彎強度的主要貢獻^[8]。目前這種三明治結構廣泛應用于包裝工程，防止運輸貨物在車輛顛簸中受到損壞，未來也可應用于車輛、機械領域。

圖2-5 羽軸髓質縱剖面形態結構