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细看速度最快的鲨鱼皮肤构造,科学家发现超高速飞机设计秘方

2024-12-22 436

拥有“海洋猎豹”之称的尖吻鲭鲨,是世上游行速度最快的鲨鱼,科学家现在分析了尖吻鲭鲨皮肤上覆盖的微小鳞片,发现它们得以在海里飙速的秘密。研究结果或可推动超高速飞机的流体设计。

陆地上奔跑速度最快的动物是猎豹,全力冲刺的时速可达 100 公里,而大海也有一只“海洋猎豹”,它就是尖吻鲭鲨(shortfin mako)。

尖吻鲭鲨也称灰鲭鲛、短鳍鲭鲨、马加鲨、烟仔沙,成年雌鲨体长约 2 米,成年雄鲨体长约 1.3 米,最大体型约 3.7 米,体重至少 545 公斤,属大型掠食性鲨鱼。

它们的游行速度可达每小时 74 公里,擅长捕捉快速移动的猎物,有需要的话,也可以跃出水面高达 9 米捕食,分布在温带及热带离岸海域,很少在水温低于 16℃ 的地方出现。

与其他鲨鱼一样,尖吻鲭鲨的皮肤也覆盖着一层称为皮齿(dermal denticle)的微小鳞片,长度约 0.2 毫米,整齐地自鱼头往鱼尾方向倾斜。如果你沿着鲨鱼的鼻子往尾巴摸,会觉得鲨鱼皮肤相当光滑;但如果你逆向从鲨鱼尾巴往鼻子方向摸,就会觉得鲨鱼皮肤粗糙无比。

美国阿拉巴马大学航空工程师 Amy Lang 领导的团队现在发现,这些皮齿皆以 40 度角弯曲,能防止快速游动时的水流回流,减少阻力,是尖吻鲭鲨高速游行的秘密。

▲ 尖吻鲭鲨。(Source:美国国家海洋暨大气总署)

当一个固体在流体中运动时,由于黏滞力效应,紧贴固体表面的流体会出现边界层,若边界层受到逆压梯度影响,使边界层内的流体动能逐渐下降,此时边界层就会离开物体表面,称为边界层分离(Flow separation)现象。

当边界层分离时将形成漩涡,大幅增加阻力,若此情况出现在机翼上,就可能导致飞机出现升力丧失、失速意外,因此许多空气动力学、水动力学研究都在探讨如何设计物体的表面及外形,以减缓边界层分离,尽可能使边界层维持在物体表面。网球的绒毛、高尔夫球的凹孔、滑翔机的扰流器、轻型飞机的涡旋产生器、高攻角飞机(如 F/A-18 黄蜂式战斗攻击机)的机翼有前缘延伸面,就是为了减少边界层分离。

然而尖吻鲭鲨皮肤表面的灵活皮齿构造,却能自主防止漩涡形成、减缓边界层分离,让鲨鱼在水中快速移动,团队实验中,研究人员明显看到边界层分离现象因鲨鱼的皮齿构造而减少。

这项新研究将为固翼机(Fixed-wing aeroplane)或直升机带出新的设计,相关论文将于美国物理学会 3 月会议(APS March Meeting)发表。

  • Spilling The Secret To A Mako Shark’s Speed
  • Water tunnel experiments show how mako shark scales help generate super speeds
  • Shark’s bristling scales make it faster, and may help make planes faster too

(首图来源:Mark Conlin, SWFSC Large Pelagics Program [Public domain], via Wikimedia Commons)

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  • 没有螺旋桨和涡轮机,全球首架极静“离子风飞机”成功试飞
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