王升宏

摘 要：“微滲透擠壓效應(yīng)”原理：空氣是由分子組成的，且分子間存在著微小的間隙以及相互的排斥力，當(dāng)氣體受壓流過孔穴時，根據(jù)壓力=壓強×受力面積公式得出：在孔穴口處會產(chǎn)生擠壓現(xiàn)象，此時氣體分子密度會變大，當(dāng)孔穴極其微小時，這種擠壓效應(yīng)尤為明顯。而羽毛的結(jié)構(gòu)為枝干狀結(jié)構(gòu)，結(jié)實牢固不易破損容易修補，并且在扇動空氣時具有“微滲透擠壓氣體的效應(yīng)”，也就是說可以在翅膀下方造成更大的氣壓，從而可以獲得更大的浮力，承載更多的重量。

關(guān)鍵詞：微滲透擠壓效應(yīng) 羽毛 效應(yīng)

中圖分類號：F224.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0043-02

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

昆蟲、蝙蝠是通過扇動膜狀翅膀?qū)諝膺M行泛泛的壓縮而已，這樣獲得的浮力不大，不能承載更多的身體重量，所以它們長得小巧以及身體呈中空狀結(jié)構(gòu)。而鳥類是從爬行類動物進化過來的，注定在個體重量以及身體結(jié)構(gòu)方面相比較昆蟲類有較大的差別。鳥類羽毛是通過“微滲透擠壓效應(yīng)”原理使翅膀下方產(chǎn)生相比較膜狀翅膀大得多的浮力，從而能夠使鳥類可以自由、高效地翱翔藍天。

1 微滲透擠壓效應(yīng)的產(chǎn)生

1.1 依據(jù)

飛行就得讓身體飄起來，這就要減輕自身的重量，其次要增大浮力。根據(jù)達爾文《物種起源》的進化理論，適者生存，繁衍后代，因此出現(xiàn)了昆蟲身體的中空狀結(jié)構(gòu)。小的翅膀高速震動（如蜂類），大的翅膀緩慢扇動（如蝶類），蜻蜓長著雙層翅膀便于產(chǎn)生更大的浮力，蝙蝠也是長著與身體極不相稱的寬大翅膀等等。那么爬行類動物在進化的過程中也要加入到飛行的隊伍中，但是爬行類動物的身體為非中空狀結(jié)構(gòu)，身體也不像昆蟲那么小巧輕盈，如何能夠獲得足夠的浮力而自由翱翔藍天呢？顯然以上膜狀翅膀扇動空氣而產(chǎn)生的浮力原理已滿足不了爬行類動物飛行的進化需求，也就是說必須要另辟途徑從膜狀翅膀產(chǎn)生浮力的原理中脫離出來。（1）要獲得大浮力；（2）翅膀要牢固結(jié)實便于支撐更多的重量，因為從力學(xué)的角度來看，要想獲得大浮力不可能像蝶類那樣進化出太大的翅膀，也不可能像蜂類翅膀那樣高速震動，于是羽毛這種新穎的產(chǎn)生大浮力且結(jié)構(gòu)結(jié)實的翅膀在自然選擇不斷進化淘汰的法則下必然要被進化出來。

那么羽毛產(chǎn)生的浮力與昆蟲、蝙蝠等膜狀翅膀產(chǎn)生的浮力有何不同之處？首先，昆蟲蝙蝠類的翅膀為膜狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)它們在扇動空氣時，氣體分子將撞擊膜的表面，由于分子間存在相互的排斥力，于是會四散逃逸，不能聚集，膜表面太過光滑、平整，浮力將下降。此種翅膀?qū)儆诜悍旱膲嚎s空氣，且不能承受太大的力，容易破損無法修復(fù)。當(dāng)然我們也不排除在長期的進化的過程中，或許出現(xiàn)過一支大的膜狀翅膀，但隨著物種的不斷延續(xù)進化與繁衍，以及翅膀在飛行中的種種弊端，也是會被慢慢淘汰掉的。而羽毛的結(jié)構(gòu)為枝干狀結(jié)構(gòu)，結(jié)實牢固不易破損容易修補，并且在扇動空氣時具有“微滲透擠壓氣體的效應(yīng)”，也就是說可以在翅膀下方造成更大的氣壓，從而可以獲得更大的浮力，承載更多的重量。

1.2 實驗分析

根據(jù)鳥類學(xué)知識以及在顯微鏡下觀察得出：羽毛的結(jié)構(gòu)由羽軸、羽枝、羽小枝和羽小鉤以及更微細的羽小枝和羽小鉤等構(gòu)成。羽枝的兩側(cè)分別長出排列整齊、緊密的羽小枝和羽小鉤，由相鄰羽枝的羽小枝和羽小鉤，通過鉤狀連結(jié)而產(chǎn)生具有彈性的溝槽狀羽片（羽片的縱向方向指向翅膀的后方），再由數(shù)量眾多的羽片而構(gòu)成羽毛。這種結(jié)構(gòu)的好處便于透氣和修補羽片。特征為相鄰的羽小枝和羽小鉤，以及它們的鉤狀連結(jié)處存在微小的縫隙，在受到氣體擠壓時，這種微細的縫隙會有所擴張變化。

布萊特·托巴爾斯克是蒙大拿大學(xué)飛行實驗室生物學(xué)家兼實驗室主任，他與該實驗室創(chuàng)建者生物學(xué)家肯尼斯·戴爾一直癡迷于縮小人類與鳥類之間飛行能力的差距。他們在長期的研究過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鳥在扇動翅膀時，翅膀尤如風(fēng)扇一樣能夠?qū)怏w吸入進去，這種研究結(jié)果也證明了氣體確實是被翅膀壓縮了。

1.3 理論形成概述

翅膀在受壓發(fā)生彈性變形時，“微滲透擠壓效應(yīng)”這種效應(yīng)會更加明顯。所以我們從微觀角度來看，當(dāng)鳥在拍打翅膀時，由于空氣分子撞擊羽片表面從而造成羽片受壓產(chǎn)生彈性變形，于是一部分空氣分子將從相鄰的羽小枝、羽小鉤以及它們的鉤狀連結(jié)處滲透逃離。我們知道分子間存在相互的排斥力，如果在微小的縫隙處，部分空氣分子逃離，那么在壓力的作用下，其周圍相鄰的空氣分子由于沒有了前面逃離空氣分子的排斥力，于是會克服相互間的斥力迅速聚攏和擠壓過來，從而使縫隙處空氣分子密度變大，從宏觀來看，空氣被壓縮了。由于此類壓縮效應(yīng)發(fā)生在狹小細長的羽枝間，受羽枝高于羽片表面的影響，橫向氣流相對要小得多，再加上有羽軸的阻擋，所以，鳥類在拍打翅膀時可以同時產(chǎn)生向上的浮力和由眾多羽片溝槽噴射氣流的聚合力而產(chǎn)生向前的飛行動力。根據(jù)測量得出：當(dāng)鴿子在高速扇動翅膀時，溝槽狀羽片末端產(chǎn)生的瞬時脈沖氣流大約為30～50 m/s，此類壓氣模式，比膜狀泛泛的壓縮空氣而產(chǎn)生的浮力要大得多，所以鳥類在個體重量方面雖然比昆蟲要大得多，依然可以自由高效地飛翔。

2 結(jié)語

在不同的社會形態(tài)下針對設(shè)計實踐所展開的不盡相同的思考，以新理論的面目出現(xiàn)，反映出人類對于新的設(shè)計實踐方向的尋找與選擇。這在客觀上成為人類和諧設(shè)計觀逐步形成的有力證明。因而，選擇新的理論視點完善對于設(shè)計的認識，既是設(shè)計發(fā)展的需要，也是人類進步的體現(xiàn)。在此過程中，很多其他類型的實踐行為及產(chǎn)物因所含的創(chuàng)造性，而逐漸進入設(shè)計的視野，并在新理論形成與推廣等方面起到了不可忽視的作用，希望能有越來越多的實驗來補充“微滲透擠壓效應(yīng)”。

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