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來源: 南方日報網絡版     時間: 2021-12-02 14:51:36

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鴨毛研究將幫助船舶高效航行

  2021-9-4 11:02:21   來源:中國船舶網|中國專業船舶門戶網站
 

隨著集裝箱船體積增大,海洋工程師必須想辦法提高這些海上龐然大物的行駛效率。具體而言,他們正在尋找能夠減少阻力、控制排放并最終提高燃料效率的新材料。

 

為了獲得靈感,他們可能會把目光投向另一群水上專家:鴨子。

 

這是美國弗吉尼亞理工大學研究人員法爾扎德·艾哈邁迪和喬納森·博雷科的觀點。他們在過去10年里研究了鴨毛的結構和性能,以了解鴨子如何能夠如此輕松地實現水下和水面環境之間的切換。

 

掌握了這些知識的艾哈邁迪和博雷科研制出了一種人造鴨毛,他們希望工程師有朝一日能將其應用于船舶外部,使船只能夠更高效地在水中航行。今年夏天早些時候,他們在美國化學學會《應用材料與界面》雜志上發表了這一研究成果。

 

這些人造鴨毛的故事始于2008年,當時博雷科是位于美國北卡羅來納州達勒姆的杜克大學的機械工程專業研究生。分給他的停車位位于教職工停車場的最遠區域,這意味著,他每天下車后要走相當長的一段路才能到教室。這條路經過一個池塘,有一天,博雷科注意到,一只鴨子下潛后浮出水面,抖動羽毛后甩掉了水。博雷科意識到,這是“去濕化”的過程!叭窕笔且粋流體力學術語,指的是呈薄膜狀的液體縮成液滴,就像雨點落在葉子上那樣。

 

鴨子在下潛時會承受流體靜壓力,即水施加的、隨著深度增加而增強的力。對于潛水員來說,這是一種熟悉的現象。任何跳入深水并感覺到耳鳴的人對此也不陌生。要繼續下潛,鴨子必須讓水進入羽毛,以減輕部分壓力;否則就會因浮力太強而被彈回水面。但是,博雷科當時沒有弄清鴨毛這種“去濕化”材料如何能夠在不被浸透的情況下允許足夠多的水進入其中。用博雷科的話說,在這個臨界點,鴨毛將“不可逆轉地被打濕”。

 

幾年后,已成為弗吉尼亞理工大學機械工程學副教授的博雷科招募了艾哈邁迪和一支研究生團隊,終于進行了能給他期盼已久的答案的實驗。

 

艾哈邁迪從一家網上批發商那里訂購了野鴨和北京鴨的羽毛。他將用防水膠帶處理過的這堆羽毛放在一個加壓室內,加壓室的上方有一個裝有蒸餾水的淺水池。在羽毛下方有一臺數碼相機,可以讓艾哈邁迪觀察到水何時完全滲入了這堆羽毛。

 

艾哈邁迪發現,隨著羽毛的層數增加,推動水進入羽毛所需的壓力也在增加。博雷科說,這一發現令該團隊感到意外。此前的研究表明,羽小支之間空間的大小是影響水滲入羽毛方式的唯一因素。

 

只要水沒有滲入最底層的羽毛,鴨子就可以維持住“氣囊”,令羽毛不會不可逆轉地被打濕。這些“氣囊”對鴨子重新浮出水面、抖干羽毛至關重要;沒有它們,鴨子就會沉入水中。

 

艾哈邁迪的實驗設計不僅揭示了羽毛的特性,還揭示了一些基本的鳥類解剖學知識。

 

每種鴨子都進化到了一定程度,其羽毛層數正好使其在潛水時能保持羽毛基部干燥。

 

了解到羽毛濕潤和“去濕化”的原理后,研究團隊便開始研發一種人造產品,用激光在鋁箔上切出細小的縫隙以模仿鴨毛的羽小支。博雷科說,他們受生物啟發做成的“羽毛”的特性與鴨毛“完全相同”。

 
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