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,科学家们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,而大海中也有一只“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局)
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,使得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。网球上的绒毛、高尔夫球上的凹孔、滑翔机上的扰流器、轻型飞机上的涡旋产生器、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,在团队实验中,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三月会议(APS March Meeting)上发布。