快速的秘密
——鯊魚皮膚

這些發(fā)現(xiàn)或能啟發(fā)潛艇和飛機的表面設計和制造。

鯊魚向外張開的鱗片可以消除原本在它尾流中產(chǎn)生阻力的漩渦。

灰鯖鯊被認為是“海洋獵豹”，它們的最高時速可超過100公里/小時。這么快的速度可能不僅與它強大的肌肉和流線型的外形有關。所有的鯊魚都有釉質包裹的鱗片，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力阻力。

摩擦和壓力

鯊魚游動過程，阻力主要來自于黏滯性。黏滯性會導致流過其身體的水粘在其表面，這是流體動力學中的一種現(xiàn)象，稱為無滑動狀態(tài)。這種狀態(tài)產(chǎn)生了一個非常薄的邊界層，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)。

阻力一方面來自皮膚上產(chǎn)生的摩擦力，即源自黏性流體摩擦表面時的切應力。幾十年來，科學家已經(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或向外張開高達30°（魚鰭）或50°（側面）。從動物的側面拍攝的鱗片電子顯微鏡圖像：a.放平；b.豎起；c.每個鱗片均有沿水流方向對齊的溝槽

圖2 魚鱗豎立過程。a.當水（黑色箭頭）從鼻子流到尾巴時，鱗片放平。b.當湍流邊界層經(jīng)歷更高的壓力梯度時，水流開始反向（深灰色箭頭），這導致鱗片向外張開。c.間歇性豎立鱗片阻止水流逆轉，因為來自尾流的渦流（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，鱗片平復。這種動態(tài)運動以毫秒為單位重復，最大限度減少鯊魚身體關鍵部位的壓差阻力

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

當水流離開身體，即高動量的水流不再沿著鯊魚的流線型形狀時，壓差阻力會急劇增加。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。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”就是來改善這種阻力的設計：“酒窩”有助于使氣流的分離點靠后，在球的后側保持更遠的附著點。這種附著延遲了分離點并減小了尾流的大小。確實，有“酒窩”的高爾夫球比光滑的高爾夫球滑行的距離要長30%。

控制氣流

與高爾夫球不同，水流流經(jīng)鯊魚有一個固定的流向——從鼻子到尾巴。圖2說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。當水經(jīng)過，鯊魚鰓處達到即時最大周長，伯努利效應（又稱邊界層表面效應）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。）

沿側翼的最小壓力點的下游（在此鯊魚為了游泳而震動），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，因此，在邊界層中最靠近表面的流體會反轉方向并開始向上游流動。正是這個反向流動引發(fā)了水流分離。抑制反向流動的被動機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)過鼻子到尾巴從皮膚上流過，當水流和身體接觸時，鱗片不會豎立。但在特定的位置，如側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，并且能夠豎立達50°，但只是從尾巴到鼻子的反向流動方向。

2012年，我在阿拉巴馬大學的研究小組與南佛羅里達大學的生物學家菲利普·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遠超出任何人的認知。隨著邊界層中的流動開始反向（圖2中的深灰色箭頭），這促使齒狀體豎立，形成水流驅動的被動行為，從而阻止逆向流動進一步發(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。

另一種輔助機制也可能起作用。當皮膚上的鱗片豎起時，它們會產(chǎn)生空隙，空隙的存在會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，并實際上延遲流動反向。對灰鯖鯊側面皮膚鱗片進行成像的實驗表明，由逆流引起的鱗片豎起是動態(tài)且快速的：齒狀體僅需1毫秒就可以因逆流向外張開，并且在順流恢復時，鱗片會迅速放平。

我們希望這些發(fā)現(xiàn)將啟發(fā)潛艇和飛機的表面設計和制造。流體分離不僅產(chǎn)生更高的阻力，還會導致機翼表面（如飛機機翼和直升機葉片）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、機動性更強。

資料來源Physics Today