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鸭毛研究将帮助船舶高效航行

  2021-9-4 11:02:21   来源:中国船舶网|中国专业船舶门户网站
 

随着集装箱船体积增大,海洋工程师必须想办法提高这些海上庞然大物的行驶效率。具体而言,他们正在寻找能够减少阻力、控制排放并最终提高燃料效率的新材料。

 

为了获得灵感,他们可能会把目光投向另一群水上专家:鸭子。

 

这是美国弗吉尼亚理工大学研究人员法尔扎德·艾哈迈迪和乔纳森·博雷科的观点。他们在过去10年里研究了鸭毛的结构和性能,以了解鸭子如何能够如此轻松地实现水下和水面环境之间的切换。

 

掌握了这些知识的艾哈迈迪和博雷科研制出了一种人造鸭毛,他们希望工程师有朝一日能将其应用于船舶外部,使船只能够更高效地在水中航行。今年夏天早些时候,他们在美国化学学会《应用材料与界面》杂志上发表了这一研究成果。

 

这些人造鸭毛的故事始于2008年,当时博雷科是位于美国北卡罗来纳州达勒姆的杜克大学的机械工程专业研究生。分给他的停车位位于教职工停车场的最远区域,这意味着,他每天下车后要走相当长的一段路才能到教室。这条路经过一个池塘,有一天,博雷科注意到,一只鸭子下潜后浮出水面,抖动羽毛后甩掉了水。博雷科意识到,这是“去湿化”的过程。“去湿化”是一个流体力学术语,指的是呈薄膜状的液体缩成液滴,就像雨点落在叶子上那样。

 

鸭子在下潜时会承受流体静压力,即水施加的、随着深度增加而增强的力。对于潜水员来说,这是一种熟悉的现象。任何跳入深水并感觉到耳鸣的人对此也不陌生。要继续下潜,鸭子必须让水进入羽毛,以减轻部分压力;否则就会因浮力太强而被弹回水面。但是,博雷科当时没有弄清鸭毛这种“去湿化”材料如何能够在不被浸透的情况下允许足够多的水进入其中。用博雷科的话说,在这个临界点,鸭毛将“不可逆转地被打湿”。

 

几年后,已成为弗吉尼亚理工大学机械工程学副教授的博雷科招募了艾哈迈迪和一支研究生团队,终于进行了能给他期盼已久的答案的实验。

 

艾哈迈迪从一家网上批发商那里订购了野鸭和北京鸭的羽毛。他将用防水胶带处理过的这堆羽毛放在一个加压室内,加压室的上方有一个装有蒸馏水的浅水池。在羽毛下方有一台数码相机,可以让艾哈迈迪观察到水何时完全渗入了这堆羽毛。

 

艾哈迈迪发现,随着羽毛的层数增加,推动水进入羽毛所需的压力也在增加。博雷科说,这一发现令该团队感到意外。此前的研究表明,羽小支之间空间的大小是影响水渗入羽毛方式的唯一因素。

 

只要水没有渗入最底层的羽毛,鸭子就可以维持住“气囊”,令羽毛不会不可逆转地被打湿。这些“气囊”对鸭子重新浮出水面、抖干羽毛至关重要;没有它们,鸭子就会沉入水中。

 

艾哈迈迪的实验设计不仅揭示了羽毛的特性,还揭示了一些基本的鸟类解剖学知识。

 

每种鸭子都进化到了一定程度,其羽毛层数正好使其在潜水时能保持羽毛基部干燥。

 

了解到羽毛湿润和“去湿化”的原理后,研究团队便开始研发一种人造产品,用激光在铝箔上切出细小的缝隙以模仿鸭毛的羽小支。博雷科说,他们受生物启发做成的“羽毛”的特性与鸭毛“完全相同”。

 
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