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鯊魚表皮如何對抗阻力﹖
尖吻鯖鯊在海中的游速非常快﹐有些研究估計其游速可以高達每小時100公里﹐堪稱海中的獵豹。能夠游的這麼快﹐靠的可不只是強壯的肌肉和流線型的外表。
所有鯊魚身上都配備有琺瑯質覆蓋的鱗片﹐就像是許多小小的半透明牙齒﹐稱為皮齒。像是尖吻鯖鯊這類泳速飛快的鯊魚﹐身上的皮齒較小﹐大約只有0.2釐米(見下圖)。這些堅硬的鱗片不只能起到保護的作用﹐也在鯊魚游動的流體動力學上扮演重要的角色。
鯊魚在游泳時主要會受到兩種阻力。第一種是來自海水黏滯性的阻力。從鯊魚的視角來看﹐身旁的水流會黏滯在牠的鱗片表面﹐也就是流體力學中的無滑移條件(no-slip condition)。這個現象造成鯊魚身體週遭有一層海水(也就是邊界層)受到黏滯性的影響﹐流動速度和整體海水不同。在邊界層外﹐海水流動速度可以被視為定值。
當黏滯性流體通過鯊魚的皮膚表面﹐交界處的剪應力帶來摩擦力﹐對鯊魚游動造成阻礙。不過科學家發現鯊魚鱗片上有許多小溝槽﹐它們排列方向與水流一致﹐能有效減少亂流邊界層中的阻滯力高達10%。
除了黏滯性造成的阻力外﹐尖吻鯖鯊需要對抗的第二個敵人是壓力阻力。只要將手伸出行進中的車窗外﹐你就能感受到壓力阻力的存在﹐當你將掌心朝向前﹐手掌前後受到的空氣壓力大小不同。因此整體而言﹐你的手掌便需要對抗一股向後的淨力。
同樣的﹐尖吻鯖鯊在海中游動時也會受到同樣的阻力。於是牠發展出流線型的修長身軀﹐盡量去除身上尖銳的稜角﹐減少身上不同部位所受到的壓力差。不過當水流不再順著鯊魚的身體流動﹐壓力阻力便會大幅增加。這時一股壓力較低的尾流在水流和鯊魚身體之間形成﹐並在身體表面引起海水逆流。前端的水流越早與鯊魚身體分道揚鑣﹐形成的尾流就越大﹐隨之而來的阻力也提高。
「高爾夫球上的許多凹陷便是為了減緩這種效應﹐讓氣流能持續貼著球面﹐流動到球的後方。」當氣流分離的位置被向後挪﹐形成的尾流較小﹐因此降低球體受到的空氣阻力。而實驗也證實﹐表面的凹陷能夠讓高爾夫球飛行距離增加30%。
鯊魚的鱗片構造就像是高爾夫球上的凹陷﹐擔負起減少阻力的重責大任。不過鯊魚的身體不是一顆對稱的球﹐因此水流經鯊魚的身體時有固定的方向(從鯊魚頭到鯊魚尾)。下圖說明了鯊魚鱗片如何在高速亂流的情況下﹐控制水流的分離。
鯊魚在鰓附近的側腹部位有最大的「腰圍」﹐也是鯊魚擺尾游動的主要動力來源﹐因此降低這個部位的阻力可說是十分關鍵。因為腰圍最大﹐白努力定律讓這裡的水流速度最快﹐壓力最小(同樣的原理也讓鯊魚能將海水吸進鰓內)。不過水會往壓力低的地方流動﹐於是側腹後方的海水開始在鯊魚身體附近的邊界層向前逆流。就是這股逆流讓水流與身體分離﹐帶來阻力。如果有某種機制能被動的抑制海水逆流﹐就能防止或延緩水流的分離﹐並減少鯊魚身體所受的阻力。
鯊魚的魚鱗和皮齒正是扮演這個角色。在水流緊貼鯊魚身體的區域﹐鱗片被固定在躺平的狀態。但是在側腹部位和鰭的邊緣等特定區域﹐水流的加速導致強大的反向壓力梯度。這裡的鱗片較為鬆動﹐能夠往逆流方向翻起高達50度。
除此之外﹐還有第二層機制能夠提供援助。當鱗片豎起時﹐下方的空隙在邊界層引發擾動混合(turbulent mixing)。此時﹐上方的高速水流(上圖中的藍色水流)更加貼近邊界﹐因此邊界層的順向流速加快﹐與海水逆流的效應互相抗衡。
實驗上觀察尖吻鯖鯊側腹部位的鱗片發現﹕逆流引起的鱗片翻動不只十分活躍﹐而且速度極快。皮齒在一毫秒內就會因逆流而豎起﹐接著在順流海水回歸時急促地恢復平貼狀態。在下面的補充資料可以看到更多關於尖吻鯖鯊表皮如何控制水流分離的實驗資訊。
我們希望這些發現能激發一些工程上的創新見解﹐像是潛水艇或飛機表面的設計與製造等實際應用。氣流或水流分離不只會帶來阻力﹐也會削弱機翼或螺旋槳等結構的升力。因此若是能以人工合成的「鯊魚皮」包覆潛水艇或飛機的外殼﹐或許就能減少燃料消耗﹐提升航速﹐甚至改善操控性能。
在其他條件固定下﹐我們移除平板上的鯊魚表皮並重複實驗。從DPIV獲取的數據可以發現﹐光滑平板上方某一點的流速幾乎一直是負的﹐其中只有1%的時間經歷順向的流速；而至於加上鯊魚表皮的平板﹐順向水流的時間百分比大幅上升﹐到達73.4%。光滑平板附近形成的大區域水流分離﹐透過鯊魚表皮的效果得到緩解。
儘管我們實驗所用的水流速度低於尖吻鯖鯊實際游速﹐但和生物學家合作的後續實驗發現﹐實際情況中逆流的強度仍舊足以使鱗片豎起﹐並抑製表面的水流分離。
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