Кожа акулы поможет уменьшить лобовое сопротивление у самолётов

Чешуйки (кожные зубчики) акул помогают им и на низких скоростях, и когда эти рыбы разгоняются.


Большая белая акула (Carcharodon carcharias) — быстрый и могучий охотник, способный развивать скорость до 6,7 м/с, хотя предпочитает плавать медленнее во время путешествий и в ожидании добычи. Группа японских исследователей изучила структуру кожи большой белой акулы, чтобы узнать больше о том, что делает этих существ столь эффективными в широком диапазоне скоростей. Интерес не только биологический: результаты наблюдений могли бы помочь конструкторам создать более совершенные самолёты и лодки.

Как известно, кожа акул на ощупь гладкая, если вести ладонь от носа к хвосту. Однако «против шести» она похожа наждак. Причины абразивности — крошечные, около 0,2 мм, полупрозрачные чешуйки-зубчики. Они порывают всю кожу акулы, но гуще растут на боках и плавниках. Как выяснилось, это не просто защитная броня для акул, но и средство уменьшить сопротивление воды при заплывах.

Сопротивление среды — результат разделения потока вокруг объекта, будь то самолёт в воздухе или акулье тело в воде. Величина сопротивления давлению зависит от формы обтекаемого объекта. Когда поток той же жидкости отделяется от поверхности, то завихряется, что и препятствует движению. В случае с акулой вспомогательным средством от сопротивления среды выступают кожные зубчики.

Существуют также силы трения, возникающие из-за взаимодействия между текучей средой и поверхностью движущегося объекта. По сути, когда объект движется что в воздухе, что в воде, то ближайший к его поверхности пограничный слой газа или жидкости оказывает на тело воздействие, противоположное направлению движения.

Известно, что акулы мако (Isurus oxyrinchus) могут нестись со скоростью 112–128 км/час, за что их прозвали «океанскими гепардами». Ещё в 2019 году учёные из Университета Алабамы определили один важный фактор, объясняющий, почему мако способны двигаться так быстро: уникальное строение их кожи, особенно зубчики на боках и плавниках. У мако на некоторых чешуйках развилась особая «щетинистость», позволяющая плавать быстрее. На мордах этих рыб зубчики не особенно гибкие, больше похожи на коренные зубы, встроенные в кожу. Но на боках и плавниках чешуйки гораздо гибче.

Строение чешуек существенно влияет на степень сопротивления давлению, с которым сталкивается мако. Зубчики на мако могут изгибаться под углом более 40 градусов к её телу, но только в направлении от хвоста к носу. Это контролирует степень разделения потока воды, подобно углублениям на мячике для гольфа. Ямки под чешуйками мако помогают поддерживать обтекаемость тела, уменьшая кильватерный след, то бишь возмущённый объём воды позади.

Авторы новой научной работы на аналогичную тему сосредоточились на том, как кожные зубчики большой белой акулы могут уменьшить лобовое сопротивление при трении. Они собрали 17 образцов кожи из разных участков туши большой белой акулы из коллекции Национального музея природы и науки в Цукубе, Япония. Эти участки включали морду, спинной плавник, бока, брюхо, хвостовой плавник и внутренние стороны грудных плавников. Образцы завернули во влажную папиросную бумагу и поместили в пластиковый контейнер, чтобы они не высыхали, а затем провели компьютерную томографию.

Предыдущие исследования показали, что гребенчатость чешуек уменьшает сопротивление при трении, отводя вихри турбулентности от кожи акулы. Такие завихрения становятся больше при меньших скоростях плавания, зато уменьшаются по мере ускорения. Таким образом, расстояние и высота гребней на зубчиках играют решающую роль для того, как тело акулы взаимодействует с этими вихрями встречной воды и как все эти нюансы влияют на снижение лобового сопротивления при различных скоростях плавания.

Данные компьютерной томографии использовали для создания 3D-моделей поверхности чешуек, чтобы было удобнее измерить расстояние между гребнями на зубчиках и их высоту. Затем команда учёных провела несколько гидродинамических расчётов, чтобы оценить скорость плавания, с которой гребни на различных чешуйках уменьшат лобовое сопротивление.



Расчёты показали, что сочетание высоких и низких гребней на чешуйках — это результат приспособленности как к медленным, так и к высоким скоростям плавания. В результате большая белая акула сформировалась как эффективная при различных темпах перемещения, пояснил Хирото Танака из Токийского технологического института. Высокие гребни, вероятно, уменьшают лобовое сопротивление при низких скоростях плавания, а чередующиеся высокие и низкие гребни уменьшают лобовое сопротивление при высоких скоростях, охватывая весь диапазон двигательных темпов. Причём избранный метод расчёта также применим к другим акулам, включая вымершие виды, отметил соавтор исследования.

Метод расчёта гидродинамики позволил учёным оценить скорость охоты и обычной миграции на основе расстояния между гребнями на зубчиках других видов акул: мако, вымершего мегалодона и бронзовой акулы-молота. У каждого из них зубчики похожи на строение чешуек большой белой акулы. Танака с коллегами установили, что скорость охоты и миграции акулы-мако составляла около 10,5 м/с и 4,9 м/с соответственно. А вот ныне не существующий мегалодон должен был двигаться со скоростью от 2,7 м/с до 5,9 м/с.
Такого рода исследования могут однажды привести к созданию новых конструкций, способных уменьшить лобовое сопротивление самолётов или вертолётов. А также, например, высокотехнологичных гидрокостюмов для профессиональных пловцов.

Инженеры долгое время пытались найти способы применения внешних рёбрышек в транспортной отрасли, рассказал Танака. Так, компания 3M разрабатывала бугорчатые покрытия для парусника, который выиграл Кубок Америки в 1987 году. Более поздние попытки применить такие шершавые поверхности для самолётов в 1990-х годах были менее успешными. Однако компания SwissAir эксплуатирует самолёты с рёбрышками с 2022 года, а Lufthansa последовала их примеру в 2023 г.

Токийцы надеются, что их открытие приведёт к созданию новых конструкций с рёбрышками жёсткости различной высоты для адаптации к широкому диапазону скоростей перемещения.