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皱纹让车跑得更快 美研发新型汽车表皮材料

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  为了让车跑得更快,当代的汽车设计,都非常追求车身的造型更加流畅,表面更加平滑。因为依照空气动力学的原理,最小的空气阻力,意味着更快的速度。然而,美国麻省理工学院的科学家们却在试图颠覆这一既有认知。他们正在研究一种可以改变表面质地的新型材料。该材料有望以“褶皱”而不是“平滑”,来帮助未来的汽车跑得更快、更具燃油经济性。

  据国外媒体报道,这种材料正式应用到汽车工业中尚需时日,但麻省理工学院的研究人员已经迈出了第一步,即制造出它的初级形态——一个名为smorphs(“智能可变表皮”的简称)的小球。该小球外观很像一颗高尔夫球,表面凸凹不平。其构造与一颗内部风干后表皮深陷的葡萄干类似。但与葡萄干不同的是,smorphs不会被风干,但空心的内核设计能够排除空气,其整体体积也会随之“缩水”一般减小。smorphs的内核由两种性质不同的覆面包裹:坚硬的外皮与之下较厚的黏腻层。当空心内核收缩时,柔软的黏腻层会缓慢凹陷,而外皮则保持坚挺不变。

  该项研究的领导者、麻省理工学院机械工程师佩德罗·雷耶斯,一直从事如何让褶皱等结构缺陷变得有用的研究。他表示,smorphs作为新兴材料,其价值的发挥,关键在于掌握它发生褶皱的机理。雷耶斯指出,第一步需要做的,是保证黏腻层有足够的厚度,以防止整个球体变成乒乓球那样,一旦凹陷便无法自动还原。在此基础上,人们就可以通过改变外皮层的厚度来诱发凹陷,并调整褶皱的纹理样式。一般当外皮的厚度在球体半径的十分之一到百分之一之间时,凹陷便会产生。

  由于smorphs与高尔夫球相似,而后者经常可以飞出很远的距离,研究人员便受此启发,将smorphs放入风洞中进行测试。结果显示,凸凹不平的表面并没有降低smorphs的飞行距离。相反,当空气流经这些酒窝般的凹陷时,会形成一个个微小的气旋。这些气旋相互连接,在smorphs表面形成了一层稀薄、涌动的保护套,阻止外面的空气附着到smorphs上。简言之,smorphs的特质,能够有效降低阻力。当表面发生凹陷时,smorphs的空气动力学效率增加了2倍。

  雷耶斯表示,高尔夫球能够飞得远,就是遵循了这个原理。然而高尔夫球的问题在于,那些气旋只能在较低速度下才能够产生。如果一颗高尔夫球不追求距离而只要高速,那么它更需要一层光滑的外表。

  可惜业已成型的高尔夫球无法做到这一点,而可以灵活切换外形的smorphs却找到了自己大放异彩的舞台。

  “smorphs的价值就在于,它可以在快慢两种速度之间,调整阻力。”雷耶斯说。受限于自身的体积,高尔夫球很少能够达到令凹陷失去效率的高速度。但其他大型的物体,比如汽车,就给了smorphs用武之地:当时速较低时,以smorphs制作的表面能够通过发生凹陷来产生气旋,降低阻力;当车辆加速时,smorphs又可以发生膨胀,形成光滑的表面,再次降低阻力。

  雷耶斯希望smorphs有朝一日能够大规模应用到汽车、飞机甚至建筑业中。今年年初,他还获得了来自美国国家科学基金会的资金支持。不过,在乐观之余,雷耶斯也表示smorphs的研究将是长期性的。其中一个需要解决的问题,就是六边形凹陷在平滑表面上的状态并不稳定。此外,smorphs的特性目前只在球体状态下得到了验证,如何将其制作成平坦的表面,并完美贴合汽车车身那复杂多样的曲线,都是雷耶斯小组面临的极大挑战。何晓亮
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