|
工 程 技 术 2015 NO.31
科技创新导报
Science and Technology Innovation Herald
DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2015.31.043
简析新理论“微渗透挤压效应”
——以动物羽毛为例
王升宏
(华兴公司 安徽合肥 231600)
摘 要：“微渗透挤压效应”原理：空气是由分子组成的，且分子间存在着微小的间隙以及相互的排斥力，当气体受压流过孔穴
时，根据压力=压强×受力面积公式得出：在孔穴口处会产生挤压现象，此时气体分子密度会变大，当孔穴极其微小时，这种挤压
效应尤为明显。而羽毛的结构为枝干状结构，结实牢固不易破损容易修补，并且在扇动空气时具有“微渗透挤压气体的效应”，
也就是说可以在翅膀下方造成更大的气压，从而可以获得更大的浮力，承载更多的重量。
关键词：微渗透挤压效应 羽毛 效应
中图分类号：F224.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2015)11(a)-0043-02
A Brief Analysis of the New Theory“the Micro Osmotic Squeeze Effect”
——Take Animal Feather as an Example
Wang Shenghong
(HXCC，Hefei Anhui,231600,china)
Abstract：The micro osmotic extrusion effect“principle:the air is composed of molecules,and molecules exist between the small gap and the
mutual repulsion, when the gas pressure through the hole,according to the pressure of the pressure X=force area formula:will produce
extrusion phenomenon in the mouth cavity,the gas molecular density becomes large at this time, when the cavity is extremely small,the
extrusion effect is obvious.The structure of feathers as the branch shaped structure,firm is not easy to damage is easy to repair,and has
a“micro osmotic effect”squeeze gas in fanned air,that can cause greater pressure in the wings below,thereby gaining greater buoyancy
can carry more weight.
Key Words：Micro osmotic extrusion effect;Feather;Effect
昆虫、蝙蝠是通过扇动膜状翅膀对空气进行泛泛的压缩
而已，这样获得的浮力不大，不能承载更多的身体重量，所以
它们长得小巧以及身体呈中空状结构。而鸟类是从爬行类动
物进化过来的，注定在个体重量以及身体结构方面相比较
昆虫类有较大的差别。鸟类羽毛是通过“微渗透挤压效应”
原理使翅膀下方产生相比较膜状翅膀大得多的浮力，从而能
够使鸟类可以自由、高效地翱翔蓝天。
1 微渗透挤压效应的产生
1.1 依据
飞行就得让身体飘起来，这就要减轻自身的重量，其次
要增大浮力。根据达尔文《物种起源》的进化理论，适者生
存，繁衍后代，因此出现了昆虫身体的中空状结构。小的翅
膀高速震动（如蜂类），大的翅膀缓慢扇动（如蝶类），蜻蜓
长着双层翅膀便于产生更大的浮力，蝙蝠也是长着与身体极
不相称的宽大翅膀等等。那么爬行类动物在进化的过程中
也要加入到飞行的队伍中，但是爬行类动物的身体为非中空
状结构，身体也不像昆虫那么小巧轻盈，如何能够获得足够
的浮力而自由翱翔蓝天呢？显然以上膜状翅膀扇动空气而产
生的浮力原理已满足不了爬行类动物飞行的进化需求，也就
是说必须要另辟途径从膜状翅膀产生浮力的原理中脱离出
来。(1)要获得大浮力；(2)翅膀要牢固结实便于支撑更多的重
量，因为从力学的角度来看，要想获得大浮力不可能像蝶类
那样进化出太大的翅膀，也不可能像蜂类翅膀那样高速震
动，于是羽毛这种新颖的产生大浮力且结构结实的翅膀在自
然选择不断进化淘汰的法则下必然要被进化出来。
那么羽毛产生的浮力与昆虫、蝙蝠等膜状翅膀产生的浮
力有何不同之处？首先，昆虫蝙蝠类的翅膀为膜状结构，当
它们在扇动空气时，气体分子将撞击膜的表面，由于分子间
存在相互的排斥力，于是会四散逃逸，不能聚集，膜表面太
过光滑、平整，浮力将下降。此种翅膀属于泛泛的压缩空气，
且不能承受太大的力，容易破损无法修复。当然我们也不排
除在长期的进化的过程中，或许出现过一支大的膜状翅膀，
但随着物种的不断延续进化与繁衍，以及翅膀在飞行中的
种种弊端，也是会被慢慢淘汰掉的。而羽毛的结构为枝干状
结构，结实牢固不易破损容易修补，并且在扇动空气时具有
“微渗透挤压气体的效应”，也就是说可以在翅膀下方造成
更大的气压，从而可以获得更大的浮力，承载更多的重量。
1.2 实验分析
根据鸟类学知识以及在显微镜下观察得出：羽毛的结构
由羽轴、羽枝、羽小枝和羽小钩以及更微细的羽小枝和羽小
钩等构成。羽枝的两侧分别长出排列整齐、紧密的羽小枝和
羽小钩，由相邻羽枝的羽小枝和羽小钩，通过钩状连结而产
生具有弹性的沟槽状羽片（羽片的纵向方向指向翅膀的后
方），再由数量众多的羽片而构成羽毛。这种结构的好处便
于透气和修补羽片。特征为相邻的羽小枝和羽小钩，以及它
们的钩状连结处存在微小的缝隙，在受到气体挤压时，这种
微细的缝隙会有所扩张变化。
布莱特·托巴尔斯克是蒙大拿大学飞行实验室生物学家
兼实验室主任，他与该实验室创建者生物学家肯尼斯·戴尔
一直痴迷于缩小人类与鸟类之间飞行能力的差距。他们在长
期的研究过程中，发现当鸟在扇动翅膀时，翅膀尤如风扇一
样能够将气体吸入进去，这种研究结果也证明了气体确实是
被翅膀压缩了。
1.3 理论形成概述
翅膀在受压发生弹性变形时，“微渗透挤压效应”这种效
应会更加明显。所以我们从微观角度来看，当鸟在拍打翅膀
时，由于空气分子撞击羽片表面从而造成羽片受压产生弹性
变形，于是一部分空气分子将从相邻的羽小枝、羽小钩以及它
们的钩状连结处渗透逃离。我们知道分子间存在相互的排斥
力，如果在微小的缝隙处，部分空气分子逃离，那么在压力的
作用下，其周围相邻的空气分子由于没有了前面逃离空气分子
的排斥力，于是会克服相互间的斥力迅速聚拢和挤压过来，从
而使缝隙处空气分子密度变大，从宏观来看，空气被压缩了。
由于此类压缩效应发生在狭小细长的羽枝间，受羽枝高于羽
片表面的影响，横向气流相对要小得多，再加上有羽轴的阻
挡，所以，鸟类在拍打翅膀时可以同时产生向上的浮力和由众
多羽片沟槽喷射气流的聚合力而产生向前的飞行动力。根据
测量得出：当鸽子在高速扇动翅膀时，沟槽状羽片末端产生的
瞬时脉冲气流大约为30～50 m/s，此类压气模式，比膜状泛
泛的压缩空气而产生的浮力要大得多，所以鸟类在个体重量
方面虽然比昆虫要大得多，依然可以自由高效地飞翔。
2 结语
在不同的社会形态下针对设计实践所展开的不尽相同的
思考,以新理论的面目出现,反映出人类对于新的设计实践方
向的寻找与选择。这在客观上成为人类和谐设计观逐步形成
的有力证明。因而,选择新的理论视点完善对于设计的认识,
既是设计发展的需要,也是人类进步的体现。在此过程中,很
多其他类型的实践行为及产物因所含的创造性,而逐渐进入
设计的视野,并在新理论形成与推广等方面起到了不可忽视的
作用，希望能有越来越多的实验来补充“微渗透挤压效应”。
参考文献
[1] 武立新.仿生扑翼飞行机器人的机理分析及其实验研究
[D].扬州大学,2005.
[2] 孟旭东,龚循华.向量均衡问题的标量化[J].济南大学学
报:自然科学版,2014(4):274-280.
[3] 孙茂.昆虫是怎样飞行的[J].力学与实践,2004(1):80-83.
[4] 郝群,曾理江,河内启二.昆虫翅膀的运动参数测量研究
[J].北京理工大学学报,2003(4):444-448.
[5] 兰世隆,孙茂.模型昆虫翼作非定常运动时的气动力特性
[J].力学学报,2001(2):173-182.
科技创新导报
Science and Technology Innovation Herald
[此贴子已经被admin于2016-3-14 8:32:14编辑过]
| 
匿名
发表于 2017-9-9 23:35:23
收藏
