Новые гидродинамические эффекты акульей кожи

Над тем, чтобы использовать те или иные достижения биологической эволюции в технической сфере, исследователи работают уже очень давно и немало в этом преуспели. Пожалуй, одним из наиболее показательных примеров такого рода может служить акулья кожа. Долгое время считалось, что чем глаже подводная поверхность корпуса судна, тем меньшее сопротивление воды оно испытывает и тем более высокую скорость может развить. Как правило, инженеры ссылались при этом на гладкую и скользкую кожу дельфинов - превосходных пловцов. Но потом встал резонный вопрос: почему же у акулы, которая плавает еще лучше, кожа шершавая, напоминает наждачную бумагу и даже используется кое-где в качестве абразива?

Жесткая структура плохо моделирует гибкую кожу

Исследования показали, что акульей коже присуща весьма сложная поверхностная микроструктура: покрывающая кожу так называемая плакоидная чешуя представляет собой мельчайшие подвижные ромбовидные пластинки-зубчики с продольными бороздками на поверхности и шипом на конце.

О том, что кожа акулы обладает особой поверхностной структурой, известно давно, - говорит американский биолог Джордж Лодер (George Lauder), профессор Гарвардского университета. - И так же давно биологи и инженеры изучают вопрос, как эта структура влияет на выдающиеся гидродинамические характеристики акулы". Но при всем обилии научных работ на эту тему один аспект, как это ни удивительно, до сих пор оставался, по словам профессора Лодера, незамеченным. Дело в том, что все многочисленные предыдущие эксперименты в гидродинамическом канале проводились ради простоты на образцах, представляющих собой фрагменты акульей кожи, наклеенные на жесткую подложку. Такие структуры не могут служить адекватной моделью кожи живой акулы, ведь при каждом движении рыбы, при каждом ударе плавников кожа изгибается и деформируется, рифленые зубчики смещаются друг относительно друга.

Образец для эксперимента с бостонского рыбного рынка

Чтобы учесть этот фактор, профессор Лодер вместе с одним из своих студентов решили испытать в гидродинамическом канале гибкий образец акульей кожи. "Мы отправились на бостонский рыбный рынок и купили там несколько свежевыловленных акул, - рассказывает ученый. - Вернувшись в лабораторию, мы вырезали несколько тонких фрагментов кожи с боков рыбин и попарно склеили их внутренней стороной, получив своего рода двустороннюю акулью кожу. Эти образцы мы прикрепили к манипулятору робота, который волнообразно перемещал их в гидродинамическом канале вправо-влево, имитируя плавательные движения акулы".

"На видеозаписи эксперимента поведение образца в потоке жидкости напоминает плещущий на ветру флаг. Расчеты показали, что параметры этого движения довольно точно соответствуют параметрам движения живой акулы. Профессор Лодер поясняет: "Мы обнаружили, что микроструктура акульей кожи может повысить скорость перемещения в воде примерно на 12 процентов. Это очень существенный выигрыш, но реально достижим он лишь при условии, что такое покрытие будет волнообразно изгибаться наподобие того, как это делает живая акула в природе".

Птицы, бабочки и акулы используют сходные эффекты.

Между тем, до сих пор все имитирующие акулью кожу покрытия, будь то пленка с соответствующей поверхностной микроструктурой или особый лакокрасочный слой, снижали сопротивление воды лишь на 5 процентов. Откуда же возьмется этот дополнительный выигрыш в скорости? Профессор Лодер полагает, что при использовании гибкой имитации акульей кожи может проявиться еще один положительный эффект: "Мы исходим из того, что кожа акулы не только снижает гидродинамическое сопротивление, но еще и создает дополнительную тягу благодаря завихрению, которое усиливает засасывающее действие плавников". На эту мысль ученого навела высокоскоростная лазерная киносъемка процесса обтекания образца.

"Мы обнаружили, что у переднего края гибкого фрагмента кожи формируется небольшое завихрение, - поясняет исследователь. - Если же этот фрагмент кожи обработать пескоструйным аппаратом и тем самым разрушить ее поверхностную микроструктуру, то завихрение начинает формироваться гораздо дальше от края. То есть наличие микроструктуры приводит к образованию зоны разрежения возле поверхности объекта".

Сходные феномены (только не гидро-, а аэродинамические) отмечены у некоторых птиц, а также бабочек - например, бражников. Насколько точно природа воспроизвела эти феномены у акул, гарвардский профессор намерен выяснить в ходе дальнейших опытов. Возможно, со временем эти знания помогут создать по образу и подобию акул подводных роботов, способных передвигаться столь же быстро и эффективно. А вот появление судов с волнообразно изгибающимся корпусом представляется все же маловероятным.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман