专家建立模型解析泳衣 鲨鱼皮并非一定减少阻力

　　长期以来，许多专家一直在鼓吹用鲨鱼皮状的“微沟槽”（riblets）包覆物体表面的好处，因为这项技术据说可以显著减小阻力。但在《流体物理学》期刊（Physics of Fluides）上发表的一项新研究发现，在某些情况下，覆盖在鲨鱼皮上的“皮齿”实际上可能会增加阻力—— 这表明这项技术的前提可能从根本上就是错误的。

　　因为鲨鱼的速度极快，你可能会认为它们拥有光滑的皮肤，使它们得以在水中轻松快速地自如穿梭。但鲨鱼的皮肤实际上是被像牙齿一样的“皮齿”（denticles，本质上是鲨鱼的盾鳞）包住的。

　　“鲨鱼皮的质感非常粗糙，不同于我曾经摸过的任何东西。”研究的共同作者福迪斯·索蒂罗波罗斯（Fotis Sotiropoulos）是美国石溪大学的一位流体动力学家，他曾经在一次伯利兹海岸浮潜之旅中触碰过鲨鱼的皮肤。

　　放大后的鲨鱼盾鳞。

　　研究人员一直认为，这些皮齿一定改变了鲨鱼身侧的水流，以减小阻力。事实上，这一特征已经帮助人们发明了名为“微沟槽”的脊状纹样去处理经过物体表面的流体。人们已经发现了这种结构的不同模式，并将这种结构纳入了风力涡轮机（从而提高效率）和泳衣（提高游泳速度）的设计中，甚至被用于改进医疗设备（以减少医院内感染）。

　　但在过去的几十年里，科学家们开始质疑皮齿这种启发了人们造出“微沟槽”的自然结构是否真的减小了阻力。相关研究在这一问题上争执不休已有三十年，让这种十分粗糙的材料的功能成为了一个分外棘手的话题。

　　“很长时间以来，这一直都是争论的中心。”索蒂罗波罗斯说。

　　索蒂罗波罗斯表示，部分原因在于，要设计一个物理实验来探索在这种鳞片上流体的复杂性是非常困难的。你必须找到鲨鱼皮，必须正确地放置它，必须把它暴露在合适的流体条件下 ——然后你必须找到一种方法测量流体中细微的湍流情况。

　　相反，研究人员选择了使用从哈佛大学演化生物学家乔治·劳德（George Lauder）那获取的尖吻灰鲭鲨皮齿数据——这些数据完美地描述了这些皮齿的形状。在超级计算机的帮助下，研究人员开发了一个模型来模拟流体流经这些皮齿时会发生什么，流过“微沟槽”时又会发生什么。

　　研究人员利用计算机建模比较了不同排列情况下尖吻灰鲭鲨皮齿和微沟槽对流体的影响。

　　研究人员发现，虽然微沟槽降低了5.2％的阻力，但鲨鱼皮齿实际上却增加了阻力——当它们成行整齐排列时，阻力增加了44 ％；当它们相互交错时，阻力增加了50 ％阻力。“这是非常惊人的发现。”索蒂罗波罗斯说。

　　科学家表示，虽然微沟槽也许有用，但它们生效的方式却与鲨鱼皮齿的并不一致。这可能是因为微沟槽本质上是一种二维结构，能产生更有条理的流型。而皮齿是复杂的三维结构，因而产生了更加复杂的湍流。

　　皮齿成行排列（上）和交错排列（下）条件下，流体经过单个皮齿时的流线状况。

　　“我们并不能从这项研究就下定论说鲨鱼皮在任何情况下都不能减小阻力，因为在我们的模拟中还有许多其他流体参数现在无从解释。”索蒂罗波罗斯说。

　　换句话说，鲨鱼的皮齿也许的确能在某些特殊情况下减小阻力。索蒂罗波罗斯说，在这个实验中，研究人员在测试微沟槽和皮齿时用的是鲨鱼的巡游速度。因此，尽管皮齿并没有在巡游阶段减小阻力，它们或许会在鲨鱼“冲刺”时起作用。又或者，这些皮齿只有在活鲨鱼那起伏的身体上才能最好地发挥作用，而不是在（模拟的）平面上就能生效。此外，它们也可能很大程度上被用作其他目的，比如充当某种防御机制。

　　但这些问题还需要进一步的研究，索蒂罗波罗斯补充道。“也许，鲨鱼演化出如此复杂皮肤的原因，比我们想象得更加复杂多样。”