這些發(fā)現(xiàn)或能啟發(fā)潛艇和飛機(jī)的表面設(shè)計(jì)和制造。

鯊魚向外張開(kāi)的鱗片可以消除原本在它尾流中產(chǎn)生阻力的漩渦。

灰鯖鯊被認(rèn)為是“海洋獵豹”，它們的最高時(shí)速可超過(guò)100公里/小時(shí)。這么快的速度可能不僅與它強(qiáng)大的肌肉和流線型的外形有關(guān)。所有的鯊魚都有釉質(zhì)包裹的鱗片，稱為膚齒，類似于微小的半透明牙齒，在像灰鯖鯊這樣的快泳者中，鱗片很小，長(zhǎng)約0.2毫米。這些鱗片不僅可以用作盔甲，還可以減少鯊魚的流體動(dòng)力阻力。

摩擦和壓力

鯊魚游動(dòng)過(guò)程，阻力主要來(lái)自于黏滯性。黏滯性會(huì)導(dǎo)致流過(guò)其身體的水粘在其表面，這是流體動(dòng)力學(xué)中的一種現(xiàn)象，稱為無(wú)滑動(dòng)狀態(tài)。這種狀態(tài)產(chǎn)生了一個(gè)非常薄的邊界層，自由流與鯊魚的身體之間的速度差在該區(qū)域得以體現(xiàn)。

阻力一方面來(lái)自皮膚上產(chǎn)生的摩擦力，即源自黏性流體摩擦表面時(shí)的切應(yīng)力。幾十年來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)知道，小的溝槽（鱗片頂部的順流槽）可將湍流邊界層中的皮膚摩擦阻力減小近10%。

圖1 灰鯖鯊被釉質(zhì)包裹的鱗片所覆蓋，這些鱗片被稱為齒狀體。皮膚上白色區(qū)域的齒狀體可以豎起來(lái)或向外張開(kāi)高達(dá)30°（魚鰭）或50°（側(cè)面）。從動(dòng)物的側(cè)面拍攝的鱗片電子顯微鏡圖像：a.放平；b.豎起；c.每個(gè)鱗片均有沿水流方向?qū)R的溝槽

圖2 魚鱗豎立過(guò)程。a.當(dāng)水（黑色箭頭）從鼻子流到尾巴時(shí)，鱗片放平。b.當(dāng)湍流邊界層經(jīng)歷更高的壓力梯度時(shí)，水流開(kāi)始反向（深灰色箭頭），這導(dǎo)致鱗片向外張開(kāi)。c.間歇性豎立鱗片阻止水流逆轉(zhuǎn)，因?yàn)閬?lái)自尾流的渦流（淺灰色）被屏蔽在鱗片之間的空腔中。隨著水流繼續(xù)向前流動(dòng)，鱗片平復(fù)。這種動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)以毫秒為單位重復(fù)，最大限度減少鯊魚身體關(guān)鍵部位的壓差阻力

阻力另一方面來(lái)源稱為壓差阻力，這有可能在更大程度上延緩動(dòng)物的速度，這是圍繞整個(gè)身體的壓力形成的凈力。汽車行駛時(shí)，你將手伸出窗外就可以切身體會(huì)到這種效果：手迎著氣流，可以感覺(jué)到手掌上的高壓和手背上的低壓，這時(shí)就產(chǎn)生了與運(yùn)動(dòng)方向相反的合力。鯊魚抵御壓差阻力的第一道防線：通過(guò)拉長(zhǎng)身體，使尖銳棱角變得平滑，進(jìn)而形成流線型身體。

當(dāng)水流離開(kāi)身體，即高動(dòng)量的水流不再沿著鯊魚的流線型形狀時(shí)，壓差阻力會(huì)急劇增加。尾流（或稱低壓區(qū)域）形成于分離產(chǎn)生的間隙中，伴隨著表面水流方向的逆轉(zhuǎn)。水流與身體分離得越早，尾流越大，阻力也越大。高爾夫球表面的“酒窩”就是來(lái)改善這種阻力的設(shè)計(jì)：“酒窩”有助于使氣流的分離點(diǎn)靠后，在球的后側(cè)保持更遠(yuǎn)的附著點(diǎn)。這種附著延遲了分離點(diǎn)并減小了尾流的大小。確實(shí)，有“酒窩”的高爾夫球比光滑的高爾夫球滑行的距離要長(zhǎng)30%。

控制氣流

與高爾夫球不同，水流流經(jīng)鯊魚有一個(gè)固定的流向——從鼻子到尾巴。圖2說(shuō)明在高速湍流模型中，魚鱗是如何在一定程度上控制水流分離的。當(dāng)水經(jīng)過(guò)，鯊魚鰓處達(dá)到即時(shí)最大周長(zhǎng)，伯努利效應(yīng)（又稱邊界層表面效應(yīng)）迫使它加速到最大速度和最小壓力。（這樣的作用還能幫助鰓吸水。）

沿側(cè)翼的最小壓力點(diǎn)的下游（在此鯊魚為了游泳而震動(dòng)），水流遇到相反的壓力梯度，壓力隨著水流的減速而增加。但是，由于液體總是向低壓區(qū)域移動(dòng)，因此，在邊界層中最靠近表面的流體會(huì)反轉(zhuǎn)方向并開(kāi)始向上游流動(dòng)。正是這個(gè)反向流動(dòng)引發(fā)了水流分離。抑制反向流動(dòng)的被動(dòng)機(jī)制可以防止或至少延遲分離，從而減小壓差阻力。

鱗片的方向和豎立能力恰好表現(xiàn)出這種效果。水經(jīng)過(guò)鼻子到尾巴從皮膚上流過(guò)，當(dāng)水流和身體接觸時(shí)，鱗片不會(huì)豎立。但在特定的位置，如側(cè)面和魚鰭及尾巴的后緣，這是反向壓力梯度高的區(qū)域，魚鱗在皮膚上松散開(kāi)，并且能夠豎立達(dá)50°，但只是從尾巴到鼻子的反向流動(dòng)方向。

2012年，我在阿拉巴馬大學(xué)的研究小組與南佛羅里達(dá)大學(xué)的生物學(xué)家菲利普·莫塔（Philip Motta）、勞拉·哈貝格爾（Laura Habegger）合作發(fā)現(xiàn)，灰鯖鯊豎立鱗片的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何人的認(rèn)知。隨著邊界層中的流動(dòng)開(kāi)始反向（圖2中的深灰色箭頭），這促使齒狀體豎立，形成水流驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)行為，從而阻止逆向流動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展為大規(guī)模水流分離的狀態(tài)。這些豎起的齒狀體為鯊魚有效屏蔽了產(chǎn)生阻力的漩渦。

另一種輔助機(jī)制也可能起作用。當(dāng)皮膚上的鱗片豎起時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生空隙，空隙的存在會(huì)在邊界層中引起湍流混合。這種混合迫使邊界層上部的高動(dòng)量流體（圖2中的黑色箭頭）流向表面，從而提高該表面邊界層的速度，并實(shí)際上延遲流動(dòng)反向。對(duì)灰鯖鯊側(cè)面皮膚鱗片進(jìn)行成像的實(shí)驗(yàn)表明，由逆流引起的鱗片豎起是動(dòng)態(tài)且快速的：齒狀體僅需1毫秒就可以因逆流向外張開(kāi)，并且在順流恢復(fù)時(shí)，鱗片會(huì)迅速放平。

我們希望這些發(fā)現(xiàn)將啟發(fā)潛艇和飛機(jī)的表面設(shè)計(jì)和制造。流體分離不僅產(chǎn)生更高的阻力，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼表面（如飛機(jī)機(jī)翼和直升機(jī)葉片）失去升力。用合成鯊魚皮覆蓋潛艇和飛行器表面，可以使油耗降低、速度更高、機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)。

資料來(lái)源Physics Today