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仿生潜艇概念设计

投稿时间:2017-06-18 11:30 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

生命在进化中探索和利用了许多至今我们人类还没有搞明白的基础科学原理。仿生学就是人类向生命学习的一门科学。

潜艇虽然能像鱼一样潜伏于深水中,但潜艇使用的推进方式还不是仿生学上最优化的。例如,在能效、速度及低噪音方面潜艇还远不及鱼类。人类至今还没有搞懂鱼类的动力转换及推进方式。在这方面最原始的仿生学是人类制造的划桨小船,现在机械化的船舰基本采用的是螺旋桨推动方式,看似先进,但也不如同样推重比的鲸鱼。

从常理的前进阻力来考虑,我们人类设计的大型舰船,往往都是前刀后方型。我们观察大多数的鱼类,都有前梭后刀的共同体型。它们为什么不是采用前刀后梭形呢?

根据物理化学原理,在任何弯曲的液固界面上,都会产生一种指向曲率中心的附加压力,也称为Young压力。其大小P可由YoungLaplace方程[1]来计算:

P = r (1/R1+1/R2)          1

式中r为液体的表面张力(或比表面自由能),通常可视为常数。R1为界面体的曲率长半径,R2为其曲率短半径。当曲面为一球面时,R1=R2

P = 2r /R               2

当曲面为一纤维形的柱面,或刀面时,R1=1/R1 = 0R2=R,此时P = r /R

从此公式可以看出,曲率半径越小,产生的Young压力越大。刀刃处的曲率半径比梭头处要小的多,因此,前梭后刀形的鱼体的尾部受到的Young压力显然要比头部大的多。这种压力在鱼尾摆动时就直接变成了向前的推力。鱼只要尾部摆动,就能使整个身体向前运动。

  许多种类的鱼表面都长有鱼鳞,每片鱼鳞都像刃朝后方的刀片,当鱼运动时这些鱼鳞就会或多或少地产生向前的推力。

  另外,我们考察各种的儿童滑板或滑车,都能将横向的作用力转化为向前的推动力。

  这种摆尾推进型潜艇发动机在理论上是没有问题的。在能效、速度及低噪音方面肯定要优于现有的螺旋桨式推进潜艇。我们可以利用仿生学,先建鱼尾状的小型前梭后刀型的潜艇,将螺旋桨推进变为摆尾推进,然后放大到能实用的潜艇。

参考文献

1、 王孝恩.2004Young压力对晶核形成和晶体生长的影响. 天津化工. Vol.18 No.4 16-17.