細看速度最快的鯊魚皮膚構造,科學家發現超高速飛機設計祕方

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 05 日 13:31 | 分類 尖端科技 , 航太科技 follow us in feedly

擁有「海洋獵豹」之稱的尖吻鯖鯊,是世上游行速度最快的鯊魚,科學家現在分析了尖吻鯖鯊皮膚上覆蓋的微小鱗片,發現牠們得以在海裡飆速的祕密。研究結果或可推動超高速飛機的流體設計。

陸地上奔跑速度最快的動物是獵豹,全力衝刺的時速可達 100 公里,而大海也有一隻「海洋獵豹」,牠就是尖吻鯖鯊(shortfin mako)。

尖吻鯖鯊也稱灰鯖鮫、短鰭鯖鯊、馬加鯊、煙仔沙,成年雌鯊體長約 2 公尺,成年雄鯊體長約 1.3 公尺,最大體型約 3.7 公尺,體重至少 545 公斤,屬大型掠食性鯊魚。

牠們的游行速度可達每小時 74 公里,擅長捕捉快速移動的獵物,有需要的話,也可以躍出水面高達 9 公尺捕食,分布在溫帶及熱帶離岸海域,很少在水溫低於 16℃ 的地方出現。

與其他鯊魚一樣,尖吻鯖鯊的皮膚也覆蓋著一層稱為皮齒(dermal denticle)的微小鱗片,長度約 0.2 公厘,整齊地自魚頭往魚尾方向傾斜。如果你沿著鯊魚的鼻子往尾巴摸,會覺得鯊魚皮膚相當光滑;但如果你逆向從鯊魚尾巴往鼻子方向摸,就會覺得鯊魚皮膚粗糙無比。

美國阿拉巴馬大學航空工程師 Amy Lang 領導的團隊現在發現,這些皮齒皆以 40 度角彎曲,能防止快速游動時的水流回流,減少阻力,是尖吻鯖鯊高速游行的祕密。

▲ 尖吻鯖鯊。(Source:美國國家海洋暨大氣總署

當一個固體在流體中運動時,由於黏滯力效應,緊貼固體表面的流體會出現邊界層,若邊界層受到逆壓梯度影響,使邊界層內的流體動能逐漸下降,此時邊界層就會離開物體表面,稱為邊界層分離(Flow separation)現象。

當邊界層分離時將形成漩渦,大幅增加阻力,若此情況出現在機翼上,就可能導致飛機出現升力喪失、失速意外,因此許多空氣動力學、水動力學研究都在探討如何設計物體的表面及外形,以減緩邊界層分離,盡可能使邊界層維持在物體表面。網球的絨毛、高爾夫球的凹孔、滑翔機的擾流器、輕型飛機的渦旋產生器、高攻角飛機(如 F/A-18 黃蜂式戰鬥攻擊機)的機翼有前緣延伸面,就是為了減少邊界層分離。

然而尖吻鯖鯊皮膚表面的靈活皮齒構造,卻能自主防止漩渦形成、減緩邊界層分離,讓鯊魚在水中快速移動,團隊實驗中,研究人員明顯看到邊界層分離現象因鯊魚的皮齒構造而減少。

這項新研究將為固翼機(Fixed-wing aeroplane)或直升機帶出新的設計,相關論文將於美國物理學會 3 月會議(APS March Meeting)發表。

(首圖來源:Mark Conlin, SWFSC Large Pelagics Program [Public domain], via Wikimedia Commons

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