关注游泳运动的小伙伴对菲尔普斯这个名字一定很熟悉，他在2008年北京奥运会上轻松夺得8枚奥运金牌，一举打破7项世界纪录。除了与生俱来的天赋和坚持刻苦的训练外，菲尔普斯在北京奥运会上能创下的8金神话也离不开游泳高科技——speedo第四代鲨鱼皮泳衣的“开挂”帮助。不过，那时的他肯定没想到，在一年后的罗马世锦赛上，他会“爆冷”输给德国“无名小将”保罗·比德尔曼，遭遇4年来第一次世界大赛的失利，而失败的原因只是因为比德尔曼穿了更为先进的高科技泳衣。为了让游泳比赛抛弃高科技回归本质，最终国际泳联决定对这种泳衣进行禁用，那么鲨鱼皮泳衣究竟为啥如此强大呢？
鲨鱼皮泳衣并不是真的用鲨鱼的皮做的泳衣，其设计理念来自于仿生学。泳衣设计者们认为，相较于水生生物的皮肤来说，人体皮肤在水中游泳的效率并不高，于是就拿在水中体型较大、又游的很快的各种大型鱼类做研究。研究人员发现：鲨鱼的皮肤并不是光滑的，而是由许多鳞片构成一幅类似锁子甲的结构，这种结构能够让水高效通过，减少水的阻力。
鲨鱼的皮肤
我们知道，运动员在游泳中所受到的阻力大致可分为三种：波浪阻力，即水体表面的流动产生的波浪对运动员的阻力；压差阻力，由于人前后的压强差所引起的阻力；摩擦阻力，游泳的过程中水与皮肤之间摩擦而产生的阻力。前两种阻力都可以通过运动员对身体的掌控来减小，而摩擦阻力是无法通过训练来减小的。鲨鱼皮泳衣正是通过模仿鲨鱼的皮肤来达到减小摩擦阻力，增加游泳速度的。
在我们的印象中不应该是皮肤越光滑受到的阻力越小吗？事实却并非如此，研究人员发现，当流体高速流动时，光滑物体表面上的速度和压力会严重分布不均，导致阻力变大。除此之外，研究人员对不同形状的沟槽表面进行了试验，最后发现对称的V形沟槽表面具有最佳的减阻效果。这也就是鲨鱼皮上的盾鳞结构。
这些V形沟槽减小阻力的机理又是怎样的呢？我们知道，物体在流体中运动时，其表面会形成一个很薄的边界层。鲨鱼在游动时，边界层紧贴皮肤的那一面的水流速度与鲨鱼的速度一致，而远离皮肤的那一面水流速度接近静止。因此，如果边界层一直紧贴着皮肤则阻力小；如果边界层与鲨鱼皮肤表面发生了分离，鲨鱼皮肤表面则会形成一系列旋涡，这些旋涡会造成鲨鱼头部的水压大于尾部的水压，阻力由此大大增加。而V形沟槽则可以阻止漩涡的形成，把快要形成的旋涡打碎，从而使边界层紧贴在皮肤表面，达到减少阻力的目的。
虽然“鲨鱼皮”有助于选手提高成绩，但却违背了游泳运动不借助外力的本质，因此国际泳联对其禁用也是合理的。除了在竞技体育领域，鲨鱼皮仿生在航空、汽车、舰艇、风力发电等领域也有应用。这种特殊的结构不仅减少了阻力，还降低了能源消耗，成为各国争相研发的技术之一。看来大自然天生就是我们的好老师，保护自然才能让仿生学领域的创新继续熠熠生辉！
（来源：“力学科普”微信公众号）
来源：北京科协