这些发现或能启发潜艇和飞机的表面设计和制造。

鲨鱼向外张开的鳞片可以消除原本在它尾流中产生阻力的漩涡。

灰鲭鲨被认为是“海洋猎豹”，它们的最高时速可超过100公里/小时。这么快的速度可能不仅与它强大的肌肉和流线型的外形有关。所有的鲨鱼都有釉质包裹的鳞片，称为肤齿，类似于微小的半透明牙齿，在像灰鲭鲨这样的快泳者中，鳞片很小，长约0.2毫米。这些鳞片不仅可以用作盔甲，还可以减少鲨鱼的流体动力阻力。

摩擦和压力

鲨鱼游动过程，阻力主要来自于黏滞性。黏滞性会导致流过其身体的水粘在其表面，这是流体动力学中的一种现象，称为无滑动状态。这种状态产生了一个非常薄的边界层，自由流与鲨鱼的身体之间的速度差在该区域得以体现。

阻力一方面来自皮肤上产生的摩擦力，即源自黏性流体摩擦表面时的切应力。几十年来，科学家已经知道，小的沟槽（鳞片顶部的顺流槽）可将湍流边界层中的皮肤摩擦阻力减小近10％。

阻力另一方面来源称为压差阻力，这有可能在更大程度上延缓动物的速度，这是围绕整个身体的压力形成的净力。汽车行驶时，你将手伸出窗外就可以切身体会到这种效果：手迎着气流，可以感觉到手掌上的高压和手背上的低压，这时就产生了与运动方向相反的合力。鲨鱼抵御压差阻力的第一道防线：通过拉长身体，使尖锐棱角变得平滑，进而形成流线型身体。

当水流离开身体，即高动量的水流不再沿着鲨鱼的流线型形状时，压差阻力会急剧增加。尾流（或称低压区域）形成于分离产生的间隙中，伴随着表面水流方向的逆转。水流与身体分离得越早，尾流越大，阻力也越大。高尔夫球表面的“酒窝”就是来改善这种阻力的设计：“酒窝”有助于使气流的分离点靠后，在球的后侧保持更远的附着点。这种附着延迟了分离点并减小了尾流的大小。确实，有“酒窝”的高尔夫球比光滑的高尔夫球滑行的距离要长30％。

控制气流

与高尔夫球不同，水流流经鲨鱼有一个固定的流向——从鼻子到尾巴。图2说明在高速湍流模型中，鱼鳞是如何在一定程度上控制水流分离的。当水经过，鲨鱼鳃处达到即时最大周长，伯努利效应（又称边界层表面效应）迫使它加速到最大速度和最小压力。（这样的作用还能帮助鳃吸水。）

沿侧翼的最小压力点的下游（在此鲨鱼为了游泳而震动），水流遇到相反的压力梯度，压力随着水流的减速而增加。但是，由于液体总是向低压区域移动，因此，在边界层中最靠近表面的流体会反转方向并开始向上游流动。正是这个反向流动引发了水流分离。抑制反向流动的被动机制可以防止或至少延迟分离，从而减小压差阻力。

图1 灰鲭鲨被釉质包裹的鳞片所覆盖，这些鳞片被称为齿状体。皮肤上白色区域的齿状体可以竖起来或向外张开高达30°（鱼鳍）或50°（侧面）。从动物的侧面拍摄的鳞片电子显微镜图像：a. 放平；b. 竖起；c. 每个鳞片均有沿水流方向对齐的沟槽

图2 鱼鳞竖立过程。a. 当水（黑色箭头）从鼻子流到尾巴时，鳞片放平。b. 当湍流边界层经历更高的压力梯度时，水流开始反向（深灰色箭头），这导致鳞片向外张开。c. 间歇性竖立鳞片阻止水流逆转，因为来自尾流的涡流（浅灰色）被屏蔽在鳞片之间的空腔中。随着水流继续向前流动，鳞片平复。这种动态运动以毫秒为单位重复，最大限度减少鲨鱼身体关键部位的压差阻力

鳞片的方向和竖立能力恰好表现出这种效果。水经过鼻子到尾巴从皮肤上流过，当水流和身体接触时，鳞片不会竖立。但在特定的位置，如侧面和鱼鳍及尾巴的后缘，这是反向压力梯度高的区域，鱼鳞在皮肤上松散开，并且能够竖立达50°，但只是从尾巴到鼻子的反向流动方向。

2012年，我在阿拉巴马大学的研究小组与南佛罗里达大学的生物学家菲利普 • 莫塔（Philip Motta）、劳拉 • 哈贝格尔（Laura Habegger）合作发现，灰鲭鲨竖立鳞片的能力远远超出任何人的认知。随着边界层中的流动开始反向（图2中的深灰色箭头），这促使齿状体竖立，形成水流驱动的被动行为，从而阻止逆向流动进一步发展为大规模水流分离的状态。这些竖起的齿状体为鲨鱼有效屏蔽了产生阻力的漩涡。

另一种辅助机制也可能起作用。当皮肤上的鳞片竖起时，它们会产生空隙，空隙的存在会在边界层中引起湍流混合。这种混合迫使边界层上部的高动量流体（图2中的黑色箭头）流向表面，从而提高该表面边界层的速度，并实际上延迟流动反向。对灰鲭鲨侧面皮肤鳞片进行成像的实验表明，由逆流引起的鳞片竖起是动态且快速的：齿状体仅需1毫秒就可以因逆流向外张开，并且在顺流恢复时，鳞片会迅速放平。

我们希望这些发现将启发潜艇和飞机的表面设计和制造。流体分离不仅产生更高的阻力，还会导致机翼表面（如飞机机翼和直升机叶片）失去升力。用合成鲨鱼皮覆盖潜艇和飞行器表面，可以使油耗降低、速度更高、机动性更强。

资料来源Physics Today

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本文作者艾米 • 朗（Amy Lang）是阿拉巴马大学塔斯卡卢萨分校航空工程与力学系的教授。