Inspiracja projektantów: tajemnice skóry rekinów Understand article

Tłumaczenie Katarzyna Badura. Skóra rekinów jest w zadziwiający sposób dostosowana do energetycznie oszczędnego pływania i te cechy są obecnie wykorzystywane przez projektantów i inzynierów.

Rekiny mają problem z wizerunkiem: na całym świecie przedstawiane są jako rządne krwi potwory – jak choćby w fimie „Szczęki”. Strach jest dla rekinów chlebem powszednim, szczególnie na terenach przyplażowych, gdzie idealne warunki do pływania i surfowania graniczą z ich obszarami bytowania. W takich sytuacjach, białe spody desek surfingowych i ciągle poruszające się kończyny mogą z łatwością sprowokować te zwierzęta – często z tragicznymi skutkami.

W rzeczywistości, ataki rekinów są stosunkowo rzadkie i wiele gatunków rekinów musi się samych bronić przed ludzką aktywnością, w szczególności zaś przed połowami. Dalekie od bycia jedynie filmowymi potworami, rekiny stanowią ważną i różnorodną grupę ryb chrzęstnoszkieletowych, obejmującą 360 gatunków podzielonych na 30 rodzin w ośmiu rzędach. Badania prowadzone na rekinach ujawniły, jak dobrze są one dostosowane: w szczególności jak rewelacyjne cechy wykazuje ich skóra, pozwalając na to, aby płynęły w wyjątkowo energooszczędny sposób. Te właściwości zostały wykorzystane w wielu obszarach technologii, od kostiumów kąpielowych po samoloty.

Żarłacz biały, Carcharodon carcharias
Stefan Pircher / Shutterstock

Opływowy kształt

Jak więc rekiny zaadaptowały się do swoich warunków życia? Najbardziej oczywistą cechą (którą posiadają również inne ryby) jest ich opływowy kształt, który pozwala im na bardzo szybkie płynięcie z minimalnym wkładem energii. W materiałach dodatkowychw1, umieściliśmy instrukcję dotyczącą prostego eksperymentu na zbadanie wpływu kształtu na ilość energii wymaganej do poruszania się w wodzie. W tym doświadczeniu, dobrym dla szkół drugiego stopnia, uczniowie przygotują z tej samej masy modelinowej różne kształty, w tym kostki, prostopadłościany, kulki, cylindry – oraz oczywiście kształt rekina – oraz przeprowadzą próbę prędkości porównując, jak długo każdy z kształtów będzie spadał na dno wysokiego naczynia cylindrycznego wypełnionego wodą.

Łuski: zgodnie z falą

Naturalnie na zwierzęce przemieszczanie się w wodzie wpływa nie tylko kształt, ale również to, w jaki sposób woda opływa daną powierzchnię – tak jak zawodowi pływacy lubią, gdy ich skóra i strój kąpielowy są tak gładkie, jak tylko możliwe. Gdybyś miał możliwość pogłaskania skóry rekina zauważyłbyć, że tylko przy ruchu w jedną stronę jest gładka; natomiast w drugą stronę jest szorstka – tak jakbyś przesuwał palcami po powierzchni szyszki – raczej od dołu do czubka, niż w drugą stronę. Ta różnica w strukturze wynika z tego, że większość gatunków rekinów posiada ciała pokryte drobnymi, ząbkowymi łuskami. Te spłaszczone łuski zapewniają ochronę przed pasożytami i ranami. Co więcej, badaczom udało się znaleźć powiązanie pomiędzy dokładnym kształtem łuski, a różnorodnym trybem życia prowadzonym przez poszczególne gatunki rekina.

Schemat spłaszczonych łusek piłogona, pokazujący ich ząbkowaty kształt
Carolin Zehne
 

Na przykład, rekiny żyjące w pobliżu raf (takie jak koleń czerwony, z rodziny Centrophoridae) posiadają gładkie łuski, które najlepiej chronią je przed mechanicznymi otarciami o skały. Nie dotyczy to szybko pływających rekinów myśliwskich, takich jak żarłacz biały (Carcharodon carcharias), żarłacz jedwabisty (Cacharhinus falciformis) czy głowomłot (Sphyrnidae). Łuski tych gatunków posiadają dodatkową, wyjątkowo ciekawą cechę: drobne uniesione grzbiety lub „rowki” wzdłuż łusek. Te rowki są tak ułożone, że formują grzbiety, biegnące wzdłuż ciała rekina. Pomimo tego, że te rowki mają jedynie po kilka milimetrów wysokości, eksperymenty wykazały, że znacząco ograniczają opór wody powodując, że rekiny mogą płynąć znacznie szybciej, przy tym samym nakładzie energii. Z kolei rekiny pływające wolno – na przykład piłogony (Scyliorhinidae) – mają tylko kilka rowków na swoich długich, szpiczastych łuskach. Poniżej można zobaczyć powiększone zdjęcia łusek różnych gatunków rekinów, pokazujące ich różne kształty i rowkowe formy.

Żarłacz czarnopłetwy
Science Photo Library / Kinsman, Ted
Głowomłot
Science Photo Library / Kinsman, Ted
Piłogon
Rico Dumcke

Bliższe spojrzenie na przepływ cieczy

Jak funkcjonują łuski i rowki rekinów? Żeby się tego dowiedzieć, musimy rzucić okiem na prawa dynamiki płynów.

Istnieją dwie różne formy dynamicznych przepływów: laminarny i turbulentny. W przepływie laminarnym, płyn porusza się tylko w jednym kierunku; cząstki płynu mogą poruszać się z różną prędkością w różnych warstwach, ale warstwy te nie mieszają się ze sobą. Z kolei w przepływie turbulentnym występują wahania w przepływie względem głównego kierunku przepływu lub w poprzek niego, co powoduje zawirowania w warstwach. W tym wypadku cząstki płynu stale zmieniają swoje położenie i prędkość, co pochłania energię.

W momencie, gdy ryba (lub statek) porusza się w wodzie – lub samolot leci w powietrzu – poruszające się ciało otoczone jest przez płynne medium. Z powodu tarcia cząstki płynu, stykające się z powierzchnią ciała, poruszają się z zerową prędkością w stosunku do tego ciała, z kolei w dalszych warstwach, płyn gładko opływa ciało. Pomiędzy nimi znajduje się turbulentna warstwa graniczna, w której pojawia się opór ruchu.

Turbulentny i laminarny przepływ wokół ciała poruszającego się w wodzie. 1: kierunek przyspieszenia; 2: kierunek przepływu; 3: ciało rekina; 4: turbulentna warstwa graniczna; 5: laminarne warstwy przepływu
Carolin Zehne
 

Liniowe grzbiety, jak rowki u rekina, zmniejszają ten opór poprzez zmiany przepływu w warstwie granicznej. Dzieje się tak dlatego, że głęboko we wgłębieniach rowków predkość przepływu jest niska, a tym samym tarcie również jest mniejsze. Z kolei na obrzeżach tych rowków powstają wiry o dużej prędkości; ponieważ jednak powierzchnia tych obrzeży (wzniesień) znajduje się stosunkowo nisko w porównaniu z całym ciałem zwierzęcia, tarcie całkowite ulega redukcji (Dean & Bhusan, 2010). Optymalna odległość pomiędzy rowkami zależy od prędkości ruchu, dlatego też jest różna w zależności od gatunku rekina.

Biomimetyczne możliwości

Takie odkrycia związane ze skórą rekinów wzbudziły zainteresowanie inżynierów i technologów, jak również biologów – do potencjalnego biomimetycznego zastosowania, w którym cechy biologiczne znalazły zastosowanie w rozwiązaniach technologicznych.

Często biomimetyka jest procesem odgórnym. Na przykład, żeby rozwiązać problem środowiskowy, możemy znaleźć rozwiązanie, poszukując analogii w naturze – takie jak opracowanie pyretroidowych środków owadobójczych, które zostało zainspirowane naturalnie występującym w roślinach złocienia środku owadobójczym. Z drugiej strony, w procesie oddolnym, systemy biologiczne są analizowane w celu znalezienia procedur, czy konstrukcji, które mogą mieć użyteczne zastosowanie technologiczne. Takim przypadkiem jest odkrycie rowków na łuskach rekinów, które obecnie stanowi inspirację w pracach nad konstrukcją innych powierzchni poruszających się w płynach, jak ilustrują poniższe przykłady.

Głowomłot – gatunek szybko pływający
Christa Rohrbach / Flickr

Rowkowana folia na samolotach

Już w roku 1989, producent samolotów Airbus przeprowadził eksperyment z rowkami. Pokrył 70-80% powierzchni samolotu Airbus A380 metaliczną folią ze wzorem rowków w kształcie ostro zakończonych trójkątów. Testy wykazały, że zastosowanie folii zmniejszyło tarcie nawet o 8%, co stanowi oszczędność paliwa rzędu 1-2% w warunkach rzeczywistych, co z kolei pozwoliłoby w wypadku dalekobieżnego lotu A380 na zwiększenie ładunku o 4 dodatkowe tony. Niedawno opracowano wersję polimerową, w której powłoka folii nakładana jest na powierzchnię, a rowkowana mikrostruktura jest na niej najpierw wytłaczana, a następnie utwardzana. Ta wersja ma tą zaletę, że jest łatwiejsza do nałożenia na zakrzywionych płaszczyznach.

Utrzymywanie czystości kadłubów statków

Kadłuby statków znajdujące się pod powierzchnią wody obrastają warstwą biologiczną zawierającą pąkle, algi i inne materiały biologiczne. To nawarstwianie powoduje zwiększenie siły oporu, a tym samym dodatkowe koszty paliwa w cenie wysyłki. Badania wykazały, że stworzenie nierównej powierzchni, takiej jak rowkowane łuski na skórze rekina, stanowi olbrzymią pomoc, bowiem zmniejsza ilość narastającej warstwy biologicznej o 60% w skali roku i ułatwia czyszczenie z tego, co jednak narosło (co z kolei pozwala na uniknięcie szkodliwych dla środowiska efektów działania niektórych środków przeciwporostowych). Podobnie jak w przypadku samolotów, zastosowanie rowkowanej powierzchni zmniejsza siły oporu w wodzie nawet o 10% (Fu et al., 2017).

Pływać jak rekin?

Ostatecznie, i najbardziej kontrowersyjnie, niektórzy pływacy olimpijscy postanowili pływać w zakrywających całe ciało strojach pływackich wykonanych z rowkowanego materiału – a tym samym wygrywali złote medale. Co prawda procent udziału rowków w ostatecznym sukcesie pozostaje nadal kwestią kontrowersyjną, a jednak w 2010 roku zakazano udziału w konkursach pływackich w strojach zakrywających całe ciało. Tak więc, podczas gdy rowkowane łuski dają rekinom ewolucyjną przewagę, tak też zastosowanie tej właściwości w świecie konkursów pływackich pozostaje nadal kwestią otwartą i dyskusyjną.

Podziękowania

Edytorzy chcieliby podziękować Dr Kathrinie Sonnen za jej wskazówki dotyczące artykułu.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Pobierz materiały wspomagające zajęcia klasowe z sekcji materiałów dodatkowych.

Resources

Author(s)

Profesor Claas Wegner pracuje na Wydziale Dydaktyki Biologii Uniwersytetu Bielefeld w Niemczech, pełniąc jednocześnie funkcję starszego nauczyciela biologii i wychowania fizycznego w szkole średniej.

Rico Dumcke jest studentem studiów magisterskich na kierunkach nauczania biologii i łaciny w szkołach drugiego stopnia oraz asystentem badawczym na Wydziale Nauczania Biologii na Uniwersytecie w Bielefeld.

Nora Tönnesmann jest studentką studiów magisterskich na kierunkach nauczania biologii i języka angielskiego w szkołach drugiego stopnia oraz asystentem badawczym na Wydziale Nauczania Biologii na Uniwersytecie w Bielefeld.


Review

Ten artykuł łączy w sobie dwie odrębne dyscypliny naukowe: hydrodynamikę (fizykę) i biologię. Charakterystykę morfologiczną rekinów opisano w odniesieniu do dynamiki płynów, co pozwala czytelnikom zrozumieć, w jaki sposób te różne zjawiska są ze sobą połączone.

W artykule są również zawarte przykłady z inżynierii, w której rozwój nowych technologii zainspirowany jest biologicznymi adaptacjami.


Bartolome Piza Mir, nauczyciel przedmiotów ścisłych i matematyki, Hiszpania




License

CC-BY