鸟巢其实是自然界的一种工程学奇迹。一些柔韧而无序的小树杈，被精心编织成一种轻巧而富有韧性的材料。鸟似乎有一种天然的直觉，能把一根根棍棒的特性，巧妙地转化为鸟巢的独特性质。为了筑巢，鸟儿不会去找任何枯旧的树枝。它们是挑选材料的一把好手，最终能造出舒适又坚固的家。
受到鸟巢的启发，一组研究团队利用X射线成像技术和计算机模拟，更深入地了解了这些由短棒编织成的巢状结构是如何获得不同寻常的力学特性的。
他们发现，短棒之间的摩擦力，和短棒接触点的分布，在决定巢穴特性方面起着至关重要的作用。这也能帮助我们了解那些类似鸟巢的材料的力学特征。研究已于近日发表在《物理评论快报》上。
鸟巢力学
鸟巢其实可以看作一种特殊版本的颗粒材料。颗粒材料指的是一种由许多较小的物体构成的材料，比如砂土。一些颗粒材料像大米一般由致密颗粒随机堆成，还有一些则像头发那样由硬质纤维纠缠而成，鸟巢则位于这两者之间。
在实验研究中，团队将460根短竹棒随机倒在一个透明的塑料圆筒中，并用一个活塞反复压缩圆筒内的竹棒，并进行了计算机模拟。
团队利用实验（左）和计算机模拟（右）研究了一个容器中受到活塞挤压的短竹棒的力学行为。（图／Y. Bhosale et al.）
他们发现，当下压的活塞被释放时，这些竹棒会差不多回弹到原始的体积，但它并非以线性方式形变的，换句话说，形变（应变）并不是简单地和施加的应力成正比。活塞对竹棒施加的力越大，它们就越坚硬，这意味着它能抵御进一步的变形。
当活塞向下运动时，竹棒之间会发生滑动，它们之间的接触点也会随之重新排列。为了更好地理解这种行为，团队借助计算机辅助X射线断层扫描创建了竹棒之间接触点的三维图像，追踪这些接触点在压缩和释放的周期中如何变化，这是理解该材料的关键。
数据显示，随着不断压缩，竹棒之间会形成更多接触点，它们限制了竹棒的弯曲，使得这一摞竹棒的刚度增加。这一观察解释了应力-应变曲线的非线性特征。
团队还观察到，竹棒的刚度变化似乎滞后于活塞的运动，被称为滞后效应，这种效应会导致活塞推入时短棒堆的硬度比活塞缩回时材料反弹的更大。也就是说，压缩时的应力-应变曲线，与释放时的曲线并不重合，两条曲线的起点和终点一致，但具体路径并不相同。这种力学行为也会出现在一些径高比较低的球形颗粒的压缩中。
准静止应力-应变循环曲线。（图／Y. Bhosale et al.）
研究认为，滞后效应意味着，能量不只通过棒的弹性弯曲来储存，在接触点开始重新排列之前，还需要克服竹棒之间的初始摩擦。当棒彼此之间出现滑动时，一些能量会以摩擦热的形式损失，损失的量与循环所围成的面积成正比。计算机模拟中也出现了同样的定性行为。
“无限”的巢
这项实验和模拟是了解这种不寻常结构的第一步，但科学家同样承认，它和真实的鸟巢仍有一定差距，尤其是，真实的鸟巢的周围并没有受到容器（圆柱壁）的限制。
团队目前正在评估这类结构特性，会如何随着尺寸的扩大而变化，并希望最终能将结果推论到一个“无限”的、没有边界效应的巢上，甚至发现这类结构自我支撑的秘密。
除了鸟巢，这项研究还可以应用在其他由长纤维无序排列组成的材料上，比如毛毡。随着对这些材料的力学特性有了更深入的了解，工程师就有机会用它们创造出新的结构。
#创作团队：
撰文：Gaviota
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.sciencenews.org/article/bird-nest-sturdy-physics’
https://physics.aps.org/articles/v15/72
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.198003
#图片来源：
封面图：stocksnap
首图：pixabay
发表于 2022-5-22 18:36
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