海豚VS鲨鱼，谁才是真正的减阻大师？

海豚VS鲨鱼，谁才是真正的减阻大师？

“阻力”出现在我们生活的各个角落，常常给人们带来一些麻烦。任何涉及空气、水等流体的运动都会遇到摩擦阻力问题：小到影响运动员游泳比赛的成绩，大到给车辆、高铁、船舶、飞机等设计制造带来问题。车辆和流体输送管道。挑战。

长期以来，人们绞尽脑汁，研究流体力学的各种理论知识，总结工程经验，千方百计地降低流动阻力。

有人认为，自然界中那些经历了几千万年洗礼的生物，经过漫长的自然选择过程，逐渐掌握了适应环境的各种技巧。如果我们直接向他们学习，或许可以少走很多弯路？

格雷的误判

1936年，英国生物学家格雷根据海豚的生理特征估算了海豚所能产生的能量，并做出了惊人的发现——海豚在游泳时理论上消耗的能量是它实际从进食中获得的能量的7%。次！

因此，他得出结论，海豚的皮肤一定具有特殊的抵抗性能，这立即引发了人们对大型海洋动物表皮结构的广泛深入的研究。

海豚皮有特殊抵抗力？图片来源：来自

直到70多年后的2008年，美国科学家团队才记录了两只海豚的游泳过程。利用将PIV（粒子图像测速）与力测量工具相结合的水流诊断平台，他们测量到海豚本身产生的力实际上比格雷想象的要大得多。这最终证明格雷实际上极大地夸大了海豚皮的减阻特性。

PIV测量设备来自中国科学院工程热物理研究所。拍摄：张子良

左图是普通相机拍摄的图片，右图是PIV处理后的图片。箭头表示水流方向，颜色表示速度。颜色越深，速度越大。红色和深蓝色箭头表示移动最快的水。 。图片来源：/Tim Wei

粗糙的皮肤也暗藏玄机

光滑的皮肤阻力较小，这似乎是常识。因此，科学家们正沿着“表面越光滑，流动阻力越小”的道路慢慢前进。

一次偶然的机会，他们发现鲨鱼也是大型水生动物，皮肤极其粗糙，游泳起来毫不费力。难道粗糙的皮肤里藏着什么秘密？

在显微镜的帮助下，人们可以看到鲨鱼皮肤的表面覆盖着一层呈菱形排列的盾鳞。这些小而锋利的盾鳞只有微米大小。表面有棘突形成的沟槽，宽度约50μm。

20世纪70年代，美国宇航局兰利研究中心的研究人员发现，流动方向上微小的凸起表面可以有效减少摩擦阻力。同时，具有一定尺度的叶片状突起是减阻的最佳形状。这些特征与鲨鱼鳞片的V形凹槽一致。不得不说，鲨鱼鳞片看似“不科学”的设计，其实隐藏着科学原理。

这种凹槽结构不仅可以保护鲨鱼免受伤害或被寄生，还能稳定流动过程中的边界层，减少鲨鱼快速游动时表面的摩擦阻力，让它们游得更快。

海洋中的冷血杀人鲨。从

用扫描电子显微镜观察鲨鱼皮肤上的盾片鳞片。图片来源：/

仿生鲨鱼皮需要“杀鲨换皮”吗？

这一发现彻底打破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式。像鲨鱼盾鳞那样具有纵向凹槽和肋条的表面所产生的减阻效果——即“肋条减阻”——已经成为湍流减阻技术的研究热点。

虽然肋条减阻的原因和详细的内部机制尚未达成统一的结论。然而，人们通过对鲨鱼微鳞的轮廓进行抽象、放大、简化，加工出粗糙的仿生鲨鱼皮，并取得了一定的减阻率。

仿生鲨鱼皮最直接的应用就是鲨鱼皮泳衣。据统计，一个月内创下的16项游泳赛事新世界纪录中，有14项是穿着鲨鱼皮泳衣的运动员创下的，这在一定程度上也体现了鲨鱼皮泳衣的受欢迎程度。非凡的技艺。

鲨鱼皮泳衣图片。产品的宣传图片

不过，制作这些泳衣并不需要“杀鲨换皮”，而是通过“仿生学”实现减阻。其核心技术是采用超拉伸高分子纤维材料模仿鲨鱼皮，从而降低摩擦系数。

这种仿生学是如何实现的？事实证明，我们看到的只是鲨鱼皮和泳衣两个具体的东西，高级流体力学工程师已经看到了这其中的本质。在他们看来，两者只是两个抽象的“三角形”。只需要通过流体力学中的“三角相似准则”，使泳衣与鲨鱼皮相似即可。这样，即使不穿着真正的鲨鱼皮制成的泳衣，仍然可以具有与鲨鱼皮类似的减阻性能。

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