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科學人新聞

用鰭翼飛得快

2004/09/14 艾胥利(Steven Ashley)
鯨的扇貝狀胸鰭可能改變未來機翼的形狀

重點提要

自然界的許多巧妙構造總令人驚嘆,生物體的構造給了我們不少設計靈感。新的研究證據指出,參考大翅鯨胸鰭的不規則邊緣設計,將能提高飛航的靈活度與安全性。
年代初期的某天,費希在波士頓的一家雕塑藝廊裡注意到一件小型的大翅鯨(也稱為座頭鯨)雕像。他趨前檢視一番後,注意到這頭生物巨碩而如翅膀般的胸鰭前緣,點綴著間隔均勻的隆起,因此大吃一驚。他是游泳脊椎動物的流體力學專家,他所知道的鯨目動物胸鰭、魚鰭或鳥類的翅膀,前緣都是平滑的,沒有任何其他生物帶有如此奇怪的特徵。費希向他太太提出這點,並縱聲猜測雕塑家弄錯了。在一旁聽到的店主,深知這名雕塑家對細節的專注與仔細,就很快拿出一張照片,清楚顯示了大翅鯨結滿疙瘩的胸鰭,費希趕忙記下這異常的特徵,做為未來研究的課題。

接下來20年,費希埋首研究,其中還包括為一頭擱淺、傷口腐臭的大翅鯨,縫合三公尺長的胸鰭。而這位美國賓州西徹斯特大學的生物學教授和數名同事,最近驗證大翅鯨多瘤的側肢,可要比人類和自然界設計的傳統光滑造型,更勝一籌。


費希和美國杜克大學的郝威,以及海軍官校的密克羅索維奇和馬瑞等流體力學工程師合作,製造了兩個56公分長的大翅鯨胸鰭複製品,其中一個具有隆起的特徵,另一個則無。在海軍官校的風洞測試中,縮小的平滑胸鰭模型的表現和一般飛機機翼類似,而胸鰭有隆起的複製品則明顯有較佳的空氣動力效率。




(左圖)鯨鰭前緣的隆起可增加大翅鯨胸鰭的流體動力效率,讓巨鯨也能行動敏捷地追逐獵物。(右圖) 將平滑和凹凸起伏的胸鰭複製品進行風洞測試,可以找出兩者的差異。



研究者在今年5月的《流體物理》期刊中指出,和大小相等的平滑胸鰭比較起來,大翅鯨胸鰭的隆起前緣能增加8%的升力、減少高達32%的阻力。此外,和流線形的鰭比較起來,大翅鯨巨大扇貝形的鰭可增加40%的攻角(鰭切入急流時的角度),也不至失控。費希說:「這些結構和我們所理解的流體動力學有很多衝突,使得過去沒有人想到要去分析它們。」


隆起前緣能增進性能的關鍵理由,是因為在這些隆起節瘤的兩側,會產生成對的反向旋轉渦流。郝威解釋:「節瘤就像渦流製造機,旋轉的渦流將動量注入水流,讓水流吸附在鰭的上層表面,而不是分叉到上下兩側。這個效應可延緩攻角較陡時引發的失速現象 。」結果讓大翅鯨這種海中巨獸也能敏捷地急轉彎,捕食游動快速的鯡魚和沙丁魚群。


費希已申請隆起表面觀念的專利,他說目前進行中的測試,還包括更精確的胸鰭模型和節瘤幾何功能的最佳化,這些研究有可能產生更好的人造翅翼,而減低失速的機會,除了能夠增進飛行安全 外,也可讓飛機更靈活。


郝威也說:「這個發現的應用將不限於機翼,還有飛機的推進器、直升機的旋翼和船隻的方向舵。」他預測下一屆美國杯帆船賽的勝利者,很可能使用凹凸不平的方向舵,靈活地御風航行。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2004年第31期9月號】


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