通过对动物世界的观察我们发现了很多飞行和游泳的例子来减少运动的阻力。一些海豚能够在水中保持30km/h的游速,因此我们一直在寻找这种保持高速的神秘机制,比如通过它们皮肤的弹性来抑制湍流等。但最近的研究表明,本质上是它们身体外形的优化,以及它们特殊的肌肉力量[12]赋予了它们这些令人印象深刻的运动能力。
至于鸟类,它们知道如何通过将腿缩进羽毛中,并尽可能顺着自己的轨迹方向贴合来减少阻力。鱼鹰雄伟的滑翔飞行(图9)很好地诠释了这些鸟类是如何进化身体结构和提高飞行技能以减少它们的飞行能耗。
5.2. 控制湍流
图11. 在风洞中,使用烟雾来可视化绕汽车的气流流动,并测试降低型面阻力的可能性。[来源:美国福特汽车公司 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0) 或者维基百科共享 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0)]
在从自然界的模仿中获得灵感的同时,科学和技术的进步使我们能够做得更好。汽车和飞机制造商使用了大量研究手段来最大限度地减少阻力,从而减少燃料消耗,包括高性能数值模拟和风洞实验。这些都可以优化车辆的空气动力学外形,并测试每个细节的影响,使用的烟雾等显示流动(如图11)。
由于湍流是控制阻力的一个重要因素,目前正在进行深入的研究以减少其影响。可以通过使用粗糙度或划痕等被动方法或主动方法来防止湍流扰动的增长,从而来实现减阻的目的。然而,这些方法存在着实际和经济上的限制。以飞机为例,已知的限制阻力的解决方案是通过机翼后半段的众多小孔吸收气流,从而使绕机翼的气流贴体,然而,由于存在小孔堵塞等问题,这并没有实施下去。在液体中,通过添加聚合物,即使是微量浓度的聚合物,也可以显著降低湍流阻力。但这当然只限于封闭环境下的工业应用,例如管道。
在赛艇中,人们使用翼型产生升力的方式来减小重力阻力(兴波阻力),取得了惊人的进步。但要应用于运输船则会有许多问题。对速度的追求总是意味着巨大的能源消耗,这很难被效率的提高所抵消。