Стремясь улучшить характеристики различных устройств, учёные черпают вдохновение в природе, но на этот раз источник оказался удивительным – океан.
Группа эволюционных биологов и инженеров Гарвардского университета в сотрудничестве с коллегами из Университета Южной Каролины сообщила, что они использовали кожу акул для разработки особой структуры, которая могла бы улучшить аэродинамические характеристики самолётов, ветряных двигателей, дронов и автомобилей.
С точки зрения инженеров акулы и самолёты не так уж и различаются. Форма конструкции (организма) и тех, и других помогает эффективно передвигаться через текучую среду (воду и воздух), создавая подъёмную силу и снижая сопротивление. Разница лишь в том, что у акул есть около 400 миллионов лет преимущества в вопросах проектирования, шутят учёные. Но в целом способность акул быстро перемещаться в воде может помочь в разработке самолётов или тех же дронов нового поколения.
"Кожа акул покрыта тысячами мелких чешуек", — говорит один из авторов исследования Джордж Лаудер (George Lauder). По строению и прочности чешуя близка к зубам, что даёт повод называть её кожными зубчиками. Такие чешуйки имеют различные форму и размер в зависимости от своего местоположения на теле.
"Мы многое знаем о структуре таких чешуек, которые очень напоминают человеческие зубы, но относительно их функций ведётся много споров", — добавляет учёный.
Большинство более ранних исследований (в том числе работы группы Лаудера) фокусировалось на свойствах чешуек, позволяющих снизить сопротивление. На этот раз Лаудер и его коллеги решили изучить эту структуру с другой точки зрения на её полезные свойства.
"Мы задались вопросом, могут ли эти формы вместо уменьшения сопротивления увеличивать подъёмную силу?", — рассказывает другой автор исследования Мехди Саадат (Mehdi Saadat).
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи изучили чешуйки акулы-мако – самой быстрой акулы в мире. Чешуя мако обладает тремя выступами, похожими на трезубец (на первой иллюстрации это особенно хорошо видно).
Используя микрокомпьютерную томографию, учёные создали модель кожных зубчиков в трёхмерном пространстве, а затем при помощи 3D-принтера напечатали полученные формы на поверхности крыла с изогнутым поперечным сечением (аэродинамическим профилем).
"Аэродинамический профиль является основной составляющей всей воздушной техники. Мы хотели протестировать эти конструкции на аэродинамических профилях, чтобы измерить их влияние на подъёмную силу и сопротивление. Чтобы затем применить полученные знания в разработке различных воздушных устройств, таких как беспилотные летальные аппараты, самолёты и ветровые турбины", — говорит один из разработчиков Август Домэль (August Domel).
Специалисты протестировали 20 различных конфигураций с разными размерами чешуек, рядами и позициями рядов на аэродинамических профилях внутри резервуара с водой.
Они обнаружили, что помимо снижения сопротивления, структуры с формой чешуек как у акул значительно увеличивали подъёмную силу, действуя как мощные завихрители (пластинчатые турбулизаторы).
Даже если человек не знает, что такое завихритель, то он наверняка его видел в действии. Самолёты оснащены такими небольшими пассивными устройствами, разработанными для изменения воздушного потока над поверхностью движущегося объекта. Большинство сегодняшних завихрителей имеют простой дизайн, чем-то напоминающий лезвие.
"Такие завихрители, вдохновлённые акулами, обеспечивали улучшение аэродинамических качеств по сравнению с аэродинамическим профилем без завихрителей до 323 процентов, — говорит Домэль. – Мы продемонстрировали, что такие завихрители могут превзойти традиционные ".
"Вы можете представить, что такие завихрители используются в ветровых турбинах или беспилотных летальных аппаратах для повышения эффективности работы лопастей. Результаты открывают новые возможности для улучшения аэродинамических конструкций", — говорит другой автор исследования Катя Бертольди (Katia Bertoldi).
Результаты исследования представлены в научном издании Journal of the Royal Society Interface.