Команда биологов-эволюционистов и инженеров из Гарвардского университета в сотрудничестве с коллегами из Университета Южной Каролины пролили свет на давнюю тайну об акульей шкуре и в процессе продемонстрировали новую биоинспектированную структуру, которая может улучшить аэродинамику. производительность самолетов, ветряных турбин, дронов и автомобилей.Исследование опубликовано в Journal of the Royal Society Interface.
На самом деле акулы и самолеты не так уж и отличаются. Оба предназначены для эффективного движения в жидкости (воде и воздухе), используя форму своего тела для создания подъемной силы и уменьшения сопротивления.
Разница в том, что у акул есть фору в 400 миллионов лет в процессе проектирования.«Кожа акул покрыта тысячами и тысячами мелких чешуек или зубчиков, которые различаются по форме и размеру вокруг тела», — сказал Джордж Лаудер, профессор ихтиологии Генри Брайанта Бигелоу и профессор биологии факультета органических и биологических наук.
Эволюционная биология и соавтор исследования. «Мы много знаем о структуре этих зубчиков, которые очень похожи на человеческие зубы, но их функция обсуждалась».Большинство исследований было сосредоточено на свойствах зубцов снижать сопротивление, но Лаудер и его команда задались вопросом, есть ли что-то еще в этой истории.«Мы спросили, что, если бы эти формы, вместо того, чтобы в основном снижать сопротивление, лучше подходили для увеличения подъемной силы», — сказал Мехди Саадат, научный сотрудник Гарвардского университета и соавтор исследования. Саадат работает по совместительству в области машиностроения в Университете Южной Каролины.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи сотрудничали с командой инженеров из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS). За вдохновением они обратились к короткоперому мако, самой быстрой акуле в мире.
Зубцы мако имеют три выступа, как трезубец. Используя сканирование микро-КТ, команда визуализировала и смоделировала зубчики в трех измерениях. Затем они распечатали 3-D формы на поверхности крыла с криволинейным аэродинамическим поперечным сечением, известном как аэродинамический профиль.
«Аэродинамический профиль — это основной компонент всех летательных аппаратов», — сказал Август Домель, доктор философии. студент Гарвардского университета и соавтор статьи. «Мы хотели протестировать эти конструкции на аэродинамических профилях, чтобы измерить их влияние на подъемную силу и лобовое сопротивление для применения в конструкции различных воздушных устройств, таких как дроны, самолеты и ветряные турбины».Исследователи протестировали 20 различных конфигураций размеров зубцов, рядов и положений рядов на аэродинамических профилях внутри резервуара с потоком воды. Они обнаружили, что в дополнение к уменьшению сопротивления зубчатые структуры значительно увеличивают подъемную силу, действуя как мощные низкопрофильные вихревые генераторы.Даже если вы не знаете, что такое генератор вихрей, вы видели его в действии.
Автомобили и самолеты оснащены этими небольшими пассивными устройствами, предназначенными для изменения воздушного потока над поверхностью движущегося объекта, чтобы сделать его более аэродинамичным. Большинство вихревых генераторов, используемых сегодня в полевых условиях, имеют простую лопастную конструкцию.«Эти вихревые генераторы, вдохновленные акулами, достигают улучшенного отношения подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению до 323 процентов по сравнению с аэродинамическим профилем без вихревых генераторов», — сказал Домел. «С помощью этих доказательств концептуального дизайна мы продемонстрировали, что эти биоинспирационные вихревые генераторы могут превзойти традиционные конструкции».«Вы можете представить, что эти вихревые генераторы используются на ветряных турбинах или дронах для повышения эффективности лопастей», — сказали Катя Бертольди, Уильям и Ами Куан Данофф, профессор прикладной механики в SEAS и соавтор исследования. «Результаты открывают новые возможности для усовершенствованных аэродинамических конструкций, основанных на биоинспекциях».
«Это исследование не только описывает новую форму генераторов вихрей, но и дает представление о роли сложных и потенциально многофункциональных зубцов акулы», — сказал Лаудер.