Акулья кожа научила лодки и самолёты скользить на крошечных бороздках

Проведите рукой по акуле от носа к хвосту и кожа скользнёт под пальцами. Проведите в обратную сторону, и она окажется шершавой, как наждачная бумага. Эту шершавость в одну сторону создаёт покров из чешуек, слишком мелких, чтобы их разглядеть, и саму идею уже позаимствовали для гоночных яхт, гребных лодок и самолётов.

Кожа из крошечных зубов

Эти чешуйки называют кожными зубчиками, и под микроскопом они именно так и выглядят: ряды крошечных пластинок в форме зубов, которые находят друг на друга, и на каждой тонкие гребни идут спереди назад. У акулы-мако, одного из быстрых пловцов открытого моря, один зубчик имеет в длину около 150 микрометров, примерно с пылинку, как сообщает Wyss Institute Гарвардского университета. Акула одета в них от носа до хвоста, и все они смотрят в одну сторону.

Как бороздки успокаивают воду

К 1980-м годам инженеры Langley Research Center, исследовательского центра NASA, искали способы сделать так, чтобы самолёты тратили меньше топлива. Заметная часть сопротивления, которое встречает самолёт или корпус судна, это трение обшивки: воздух или вода трутся о поверхность. Сотрудники центра обнаружили, что поверхность, покрытая крошечными V-образными бороздками, которые идут вдоль потока и, по словам NASA, не глубже царапины, испытывает меньше трения, чем обычная, потому что бороздки сглаживают турбулентный слой у самой обшивки. В NASA их назвали риблетами и описали как сделанные по образцу похожих выступов на коже акулы.

Прорезать бороздки по всему самолёту очень трудно, поэтому инженеры компании 3M отлили их в лёгкой пластиковой плёнке с клейкой изнанкой. Плёнку наклеили на гребную лодку, на которой команда США завоевала олимпийское серебро, а в 1987 году на днище яхты Stars & Stripes, выигравшей Кубок Америки; координатор её проекта назвал плёнку секретным оружием лодки. В NASA тогда считали, что риблеты могут сберечь самолёту 5 процентов топлива.

В чём часто ошибаются

Само собой напрашивается мысль, что самая быстрая поверхность та, что глаже всех. Акулья кожа говорит об обратном. В 2012 году двое исследователей из Гарварда в статье в Journal of Experimental Biology описали, как закрепили кусочки настоящей акульей кожи на роботе с машущим плавником. Гибкие кусочки с целыми зубчиками плыли в среднем на 12,3 процента быстрее, чем та же кожа, зачищенная до гладкости.

Вторая ошибка в том, чтобы считать любую ребристую ткань акульей кожей. В той же работе проверили ткань для купальных костюмов, которую продавали как созданную по образцу акулы, и устойчивой прибавки в скорости не нашли, а искусственная плёнка с риблетами, гребни которой шли вдоль потока, дала 7,2 процента. Важна была и жёсткость: на твёрдой пластине быстрее оказалась как раз зачищенная кожа. Польза появлялась только тогда, когда кожа могла изгибаться в движении. Покров акулы состоит из твёрдых зубчиков на мягком гибком теле, и они работают вместе.

• 150 микрометров длина одного зубчика акулы-мако
• 12,3% быстрее с настоящей акульей кожей на гибком плавнике, чем с зачищенной
• 7,2% быстрее с искусственной плёнкой с риблетами, гребни идут вдоль потока

Откуда мы это знаем

В 2014 году та же гарвардская лаборатория пошла ещё дальше. Учёные сделали рентгеновские снимки кожи мако, построили компьютерную модель одного зубчика и напечатали на 3D-принтере тысячи его копий рядами на гибком листе, увеличив каждую примерно до 1,5 миллиметра. Несколько месяцев ушло на то, чтобы крошечные зубы перестали отламываться. В бассейне для опытов напечатанная кожа плыла более чем на 6 процентов быстрее гладкого листа и тратила примерно на 6 процентов меньше энергии.

Опыт показал и то, чего одни бороздки не объясняют. Зубчики помогали небольшому водяному вихрю держаться у переднего края движущегося листа, а этот вихрь, по словам исследователей, словно подтягивает акулу вперёд. Так что кожа, возможно, делает два дела сразу: уменьшает сопротивление и немного тянет вперёд. Первое инженеры уже скопировали. Второе пока остаётся в основном за акулой.