片流膜的发明

片流膜的发明

德国仿生学家克雷默是一位很有造诣的科学家，第二次世界大战以前，他在德国航空研究中心工作，领导着抗湍流的研究。后来，他应聘到美国海军某研究所工作。他一直非常注意大西洋上的海豚，眼前的这群活泼的海豚，伴随着轮船快速游行已有两个多小时了。但是看上去他们的动作依然是那样地自由自在，好像没有丝毫倦意。当时，轮船是以每小时50公里的航速前进，也就是说这群海豚的游速也达到每小时50公里。这对于多年从事抗湍流研究工作的克雷默不会不知道空中的飞行物体要经受气流产生的湍流的阻力，在水中运动的物体同样会经受水中湍流的阻力。他不禁问自己，海豚是怎样抗湍流才能高速度地游动呢？虽然，海豚天生有如此完美的流线型的外形，头部和尾部狭尖而中间部分宽厚，具有较理想的身体长度与厚度的比例，浑身光滑少毛，耳壳和后肢都已退化消失，这些无疑都是对海豚减少水中湍流阻力有利的。然而，根据有人做过的试验，拖着一只与海豚大小相仿的物体在海上航行，需要增加2.6匹马力。而眼前的海豚按其体躯大小来估计，本身是不可能产生那么大的推动力的。海豚能在比空气密度大800倍的水中轻松地追随高速航行的轮船，必定有它的奥妙。是不是海豚能以最小的动力达到最大限度地把湍流变成片流呢？如果弄清楚这个问题，那么对抗湍流的研究一定会有很大帮助。

1956年，克雷默从太平洋的马林兰德得到了海豚皮样张，并立即对它进行仔细地研究，这张海豚皮厚度约1.55毫米，富有弹性，具有疏水性。经过切片，在显微镜下观察，可见它的组织结构与其它脊椎动物的皮肤一样也是由表皮、真皮和由胶质纤维和弹性纤维交错的结缔组织组成。但是与众不同的是海豚的真皮层上面有许多小乳突，根据各部位比较，这些小乳突在额部和尾部特别发达，这些小乳突对抗湍流有什么作用呢？这引起了克雷默的极大注意。他认为这些小乳突形成了很多微小的管道系统，在运动中能经受很大的压力，含有胶质纤维和弹力纤维交错的结缔组织，中间充满了脂肪，增加了海豚皮肤的弹性，皮肤的弹性和疏水性在很大程度上消除了水流由片流变成湍流的振动，并能使水分子集结成环状结构在海豚体表上滚动。正如大家都知道的，滚动摩擦阻力是最小的，从而把水阻力大大地减少了，再加上海豚皮下肌肉能作波浪式运动，使富有弹性的皮肤在水的压力下作灵活地变形，使自己和水流的运动相一致，很有效地抑制水流高速流经皮肤时产生的漩涡，这样海豚即便在高速运动时，也能把水阻力降低到最小限度。

根据这个原理，克雷默开始研制人造海豚皮，1960年他在美国橡胶公司工作期间，用橡胶仿造海豚皮肤的结构，研制出一种名叫“片流膜”的人造海豚皮。这种片流膜也由三层组成：表层和底层都是光滑的薄层。当中的一层设置了许多容易弯曲的小突片，形成微细的管道系统，其内充满了富有弹性的液体，使片流膜具有弹性。将片流膜装配在潜水装置上进行试验，结果果然使湍流减少50%。于是将片流膜安装在潜水艇的表面，取得了很好的效果，大大地加快潜水艇的航行速度。人们将这种片流膜安装在输送石油的管道的内壁上，同样大大地提高了石油输送的效率。