Акулья кожа создает тягу, говорят исследователи

Кожа акулы издавна привлекала внимание людей – от рыбаков до физиков. Это потому, что чешуя акулы превратилась в крошечные трехмерные структуры в форме наковальни, называемые зубцами, которые помогают этим животным плавать с бешеной скоростью. Например, атакующие акулы Мако развивали скорость более 70 км/ч. Для сравнения: олимпийский пловец-спринтер может развивать скорость всего 5 км/ч.

Специалисты по гидродинамике считают, что странная форма зубцов акулы должна играть решающую роль в передвижении акул. И если им удастся каким-то образом скопировать этот процесс, появится возможность создать искусственную кожу акулы, которая поможет людям или подводным лодкам плавать быстрее.

Но никто до конца не знает, как работают зубчики. Проблема в том, что большинство экспериментов проводилось с упрощенными конструкциями или с самой кожей акулы, которая теряет свои особые свойства при снятии с рыбы. Таким образом, хотя гидродинамики добились прогресса в разработке некоторых простых структур кожи, то, как зубцы уменьшают сопротивление, по большей части неизвестно.

Теперь ситуация, похоже, изменится благодаря работе Бенджамина Савино и Вэнь Ву из Университета Миссисипи, которые смоделировали поток жидкости по зубцам, по форме напоминающим настоящие. Их результаты показывают, что кожа акулы не только уменьшает сопротивление, но и создает тягу в направлении движения.

Физики изучают гидродинамические свойства кожи акулы с 1980-х годов. Кожа существенно отличается от кожи других рыб, поскольку чешуя крошечная, размером менее полмиллиметра, в зависимости от вида имеет объемную форму.

Есть некоторые свидетельства того, что зубцы «топорщатся» или встают, когда акула ускоряется, и что это поведение варьируется в зависимости от тела акулы. Но никто не знает, почему.

Гидродинамики пытались воспроизвести это поведение с разной степенью успеха. Наиболее успешные исследования показали, что зубчики в виде крошечных гребней, ориентированных по направлению потока, могут снизить сопротивление до 10 процентов.

Это влияет на поведение потока жидкости в так называемом «пограничном слое» рядом с кожей. В идеале пограничный слой должен прилегать к коже, что помогает сохранять ее гладкость.

Но когда граница отделяется от обшивки, она быстро становится турбулентной, что резко увеличивает сопротивление. Ребрышки помогают удерживать пограничный слой на поверхности.

Это то преимущество, которое может иметь огромное значение для подводных лодок, кораблей, яхт, торпед и так далее. Это одна из причин, по которой конструкция и характеристики материалов гоночных яхт и военных подводных лодок тщательно охраняются. (Хотя одна из проблем — поддерживать чистоту гребней.)

А как насчет более сложных форм зубчиков? Как они работают? Чтобы выяснить это, Савино и Ву создали виртуальную модель кожи акулы, покрытой зубчиками в форме наковальни, тонкие опоры которых поддерживают головки наковальни.

Головки наковальни прилегают друг к другу, образуя над кожей своего рода вторичную поверхность, по которой может течь жидкость. Но под головами тонкий слой жидкости в этой защищенной области может свободно течь по-другому.

Когда исследователи смоделировали поток жидкости по этим структурам, они обнаружили, что головки наковальни имеют тенденцию впрыскивать небольшое количество жидкости в защищенную область, где она поворачивается обратно, как небольшая волна. Это создает обратный поток в этой области, который давит на опорные стойки, создавая тягу в направлении движения. Савино и Ву называют это обратным движением пор.

В то же время процесс направления части воды в защищаемую область помогает удерживать пограничный слой на поверхности и тем самым снижать сопротивление. «Результаты указывают на активный механизм снижения сопротивления по требованию», — говорят они.

Ключевой особенностью работы является то, что исследователи не использовали плоскую поверхность для моделирования. Вместо этого они смоделировали поток через неровности на поверхности, поскольку они имеют тенденцию вызывать отслоение пограничного слоя. Они разместили зубчики на подветренной стороне холма (с подветренной стороны), где и наблюдали этот эффект.

Савино и Ву считают, что изменение давления на подветренной стороне отвала является решающим фактором в закачке жидкости в защищенную нижнюю область. Это также объясняет, почему другие, проводившие подобное моделирование и эксперименты на плоских поверхностях, не смогли наблюдать аналогичного снижения сопротивления. «У акул может быть стратегия поддержания умеренной кривизны и, таким образом, продления образования обратного напора пор», — говорят они.

Это интересная работа с важными приложениями. Нетрудно представить, как конструкторы подводных лодок и яхт могут использовать зубцы на изогнутых участках своих конструкций. «Это предлагает новую захватывающую стратегию снижения сопротивления», — говорят Савино и Ву.

Но сохранение синтетической акульей кожи без морских загрязнений по-прежнему остается проблемой. Возможно, следующим этапом исследований должно стать выяснение того, как акулы поддерживают чистоту своих зубов.

---

Ссылка: Генерация тяги от Shark Denticles: arxiv.org/abs/2403.14095