В своем исследовании, используя уравнения фундаментальной механики и эксперименты по моделированию материалов, исследователи показывают, что квадратная форма обеспечивает большую жесткость и более высокое сопротивление овализации и продольному изгибу, чем полая круглая форма того же веса. «Самое удивительное, что это отражает механику учебника», – сказал Марк Мейерс, старший автор статьи и профессор машиностроения и аэрокосмической инженерии в инженерной школе Джейкобса в Калифорнийском университете в Сан-Диего. "И очевидно, что птицы не изучали этот предмет."
Наблюдать овализацию можно, подвергнув соломинку для напитка постепенному изгибанию: сечение будет постепенно изменяться от круглого к овальному, а жесткость соответственно уменьшается. Но перья летающих птиц, имеющие форму сечения от круглого до квадратного, сохраняют свою жесткость, несмотря на изгиб.
Напротив, нелетающие перья, такие как перья нелетающих страусиных крыльев и перья павлиньих хвостов, не подвергаются таким же ограничениям, и их стержни не меняются с круглых на квадратные. Это потому, что перо – это узкоспециализированный придаток, который позволяет птицам летать, создавая тягу и подъем. Его механические свойства оптимизированы, а вес сведен к минимуму.
Кора головного мозга представляет собой волокнистый композит с различной ориентацией волокон по длине, регулируемой в соответствии с требованиями местного напряжения: увеличивающееся количество осевых волокон обеспечивает достаточную жесткость при изгибе, в то время как перекрещенные волокна обеспечивают разумную гибкость и жесткость при кручении.
Обнаруженные особенности символизируют уникальную адаптацию перьев для оптимизации жесткости и легкости, естественную структуру, вдохновляющую на передовые инженерные разработки.
«Природа действительно чудесна», – сказал Бин Ван, ведущий автор статьи и член исследовательской группы Мейерса. "И это такая красота – смотреть на природу с человеческими знаниями."
Ван и Мейерс заявили, что результаты могут быть использованы для создания более прочных и жестких квадратных заполненных пеной конструкций для легких транспортных средств, таких как дроны и другие летательные аппараты. Они также сказали, что результаты могут быть применены к другим типам энергоэффективных конструкций.