互动科普

座头鲸凹凸的鱼状肢改进了流体力学性能，对机翼设计有启发。

在1980年代初的某一天，在美国波士顿的一家雕塑售卖店里，E. Fish注意到一件座头鲸的小雕像。靠近细看，Fish发现它像翅膀一样的硕大鳍状前肢的前缘竟然均匀地分布着突起。他对此很惊奇，作为研究脊椎动物在水中运动的水动力学家，他知道鲸类的鳍状肢、鱼鳍和鸟的翅膀都没有这样奇怪的先天特征——它们的前缘都是平滑的。他和妻子谈论这个问题，大声说出了自己的推测：雕塑这个作品的艺术家可能搞错了。店老板无意中听到Fish的评论，他知道这位雕塑者在细节问题上非常严谨，于是就照了一张照片，照片上清楚地显示了座头鲸有突起的鳍状肢。Fish记下了这些反常的突起，以备将来研究。

随后20年里，他断断续续地进行相关研究，其中有一次还锯下了在海滩上搁浅腐烂的座头鲸3米长的鳍状前肢。这位美国宾州西切斯特大学（West Chester University）的生物学教授和几位同事最近证明，无论是对于人类还是自然界来说，鲸的这种凹凸边缘的“设计”在某些方面比惯常的平滑设计更有利。

Fish与美国杜克大学的流体力学工程师的E. Howle，以及美国海军科学院的S. Miklosovic和M. Murray合作，模仿座头鲸鳍状前肢制造了两个56厘米长的塑料仿制品，其中一个具有前述特征的突起，另一个则没有。在美国海军科学院的风洞实验中，平滑鳍状肢的比例模型表现得类似于标准的飞机机翼，而座头鲸的边缘凹凸的鳍状肢仿制品却表现出明显优越的空气动力学性能。

他们发表在《流体物理学》杂志5月号上的文章里说，与相同大小的平滑鳍状肢相比，前缘凹凸的鳍状肢增加了8%的动力，减少了32%的阻力。并且座头鲸前缘凹凸的硕大鳍状肢，（在冲浪时）抵抗冲角的失速方面能比平滑肢增加陡峭角度40%。Fish说：“这些结构与我们关于流体力学的理解是如此的矛盾，以前没有人分析过这些特征。”

凹凸鳍状肢改进流体力学的关键在于其前缘两边的突起会产生反向旋转的旋涡。Howle解释说：“突起在鲸游动时制造旋涡，旋转的旋涡向液流中注入动力，这能使液流紧贴表面，而不是像平滑鳍那样液流与表面分开。这样的效应使得它延缓了高冲角时的失速。”结果是，这个庞然大物能更大角度地转弯，行动更敏捷——在猎获快速游动的鲱鱼、沙丁鱼等鱼群时，就更得心应手了。

Fish已经对突起表面增加升力的方案申请了专利。他说，他即将进行更精确的鳍状肢模型检验以及功能最优化的结节突起的几何学试验，这些可以引导人fril1]造出更好的机翼。抵抗失速能力的提高，能拓宽飞行的安全范围，也能使飞机更敏捷。

Howle指出：“这个发现潜在的应用价值并不仅局限于飞机的机翼，它也可用于飞机的螺旋桨、直升机的水平旋翼，以及船舵。”他推测，下一届美洲杯的优胜者，可能会更多地使用有结节突起的浆。

谭永平/译

曾少立/校