流线体和船

鱼、流线体和船

从人类懂得造船开始，就一直为如何提高船的航行速度而努力。任何物质在水中运动都会受到水流不同程度的阻力。这个阻力由水流经运动物体表面的三种形式组成：一是平流，水很平滑地从运动物体表面流过，流动迹线规则，摩擦很少，对运动物体的阻力最小；二是湍流，水粗糙地从运动物体表面流过，流动迹线很不规则，摩擦增大，对运动物体的阻力很大；三是漩涡，水流遇低洼处所激起的螺旋形水涡，对运动物体的阻力最大。这三种形式的阻力的总和愈大，运动物体在水中前进的速度也就愈慢。因此，必须尽量减少船前进时所受的阻力，才能使船的航行速度加快。

鱼类终生生活在水中，对水环境有很好的适应。人们在设计船的式样时可从这些动物身上得到一些提高船速的启示。尽管鱼类按其各自的生活方式有多种多样的体型，但是人们发现其中最常见的一种体型叫纺锤型，又称流线型，这种体型的特点是：头、躯干和尾三部分比例适中。鱼身的三个体轴以从头到尾的长度最长，背到腹的高度次之，左到右的宽度最短。整个鱼体形状像一只纺梭，两头尖，中间厚，其横切面为椭圆形，它的身体最厚的部位是在头后至体前这一段，自此后均匀地向后方渐渐地变窄，整个体型显得浑圆结实光滑，可以减少湍流，将水流的摩擦力减少至最低限度。一些快速游动的鱼类如金枪鱼、马鲛鱼、鲔鱼、鲣鱼、箭鱼和鲨鱼等都是这种体型。有关鱼类的游泳速度很少有精确记录，有人说鲔鱼的时速可以达到90公里。鱼类学家戈特教授说：“今天在美洲海边见到的鲔鱼，可能是在前晚经过好望角的。”不管这些说法是否可靠，但是都无非说明鲔鱼游泳速度快。对这样的著名速游鱼类，仿生学家当然会对它进行研究，它的身体剖面相对长度是3.6米，相对厚度是0.28米，这个相对厚度对鲔鱼的游速快起到什么作用呢？实验证明：0.28米这个相对厚度是恰到好处的。相对厚度小于0.28米时，形状阻力虽有减少但摩擦阻力增大很多，相对厚度大于0.28米时，摩擦阻力虽有减少但形状阻力又增大很多，因此说鲔鱼获得了最理想的相对厚度，这种体型使受到的摩擦阻力和形状阻力共同作用减少到最低程度，这就难怪鲔鱼能在转眼之间，游离人的视线之外。美国按照鲔鱼的体型，设计制造成功的“飞鱼号”核潜艇，达到航速快，灵活性大的效果。现代的潜艇和鱼雷等也都是按照流线型来设计的。

光滑的鱼身

空气和水都是流体，船在水中受到水流的阻力，飞机在空中受到气流的阻力，两者都受流体力学规律的制约。船舰设计师可以模拟的一些东西对航空设计师来说也是有用的。航空设计师们也模拟鲔鱼的体型，设计新的喷气式高速客机，增加机身的相对厚度，从而减少了飞行阻力，同时也扩大了机舱。

由鱼的体型而设计的船

鱼类的体型对鱼类运动速度有很大影响。但是，为什么蓝枪鱼和马鲛鱼同样具有完美的流线型体型而蓝枪鱼总是游得比马鲛鱼快一些呢？这足以说明体型仅是影响游速的一个方面，还有很多方面可以影响游速。英国的瓦兹发现蓝枪鱼的尾鳍前比马鲛鱼多了一个臀鳍，他认为这个构造有利于鱼身作急转弯。他按照蓝枪鱼的这一结构，在设计轮船“武尔为吉”号时，在船尾前增加了一个类似“侧鳍”装置，试航结果，缩小了船体转弯时的距离和时间，从而也就提高了航速。

人们发现鱼尾的形状也是多种多样的，它与游速也有很大关系。通常尾柄细而坚实有力，两侧有骨状小突起，尾鳍上下端尖长，展开时呈新月形的鳍，大多数游速快，如鲔鱼和鲣鱼等的尾，只要用力一摆，就能急速前进几十米，因为鱼尾摆动，使水流变成弯曲波，大大提高了运动速度。

为了减少机械运动时所受的摩擦阻力，使用滑润油之类是一种行之有效的方法。其实，鱼类早就在使用这种方法了。鱼类的皮肤含有丰富的单细胞腺，能分泌大量的黏液，在身体表面形成一层黏液层，一些无鳞的鱼类更是粘滑。黏液的功能有很多，其中有一个功能就是使鱼体润滑，可减少水流的摩擦，有利于在水中游动。有人做过试验，将鱼体分泌的黏液涂在水中运动的物体表面，结果可将水流阻力减少到一半以上，这种黏液的有效期可以长达数月之久。但是，人们要想取得足以喷涂一艘轮船所需要的鱼体分泌黏液，谈何容易？于是，人们试图用其他化学代用品，如聚氧化二烯水溶液等，虽然可减少摩擦阻力的70%，但是，这种代用品的有效期还不到一天就失去作用。因此，人们研究人工合成鱼的分泌液，不过，即便获得成功，每喷涂一次，也仅能维持几个月的效能，如果能像鱼类那样，不断地分泌，那将会有多好。