出品:科普中国
作者:王佳音(中国科学院先进技术研究院)
监制:中国科普博览
大家应该都见过鱼在水里游泳,那死去的鱼呢?这听起来似乎有点荒诞,但2024年的搞笑诺贝尔物理学奖却颁给了一项关于死鱼游泳的相关研究。
来自美国的科学家们因“演示和解释死鳟鱼的游泳能力”而获此殊荣。该研究不仅报道了一种令人惊讶的神奇现象,还揭示了流体动力学的奥秘,为我们理解鱼类如何利用水中的涡流节省能量提供了新的视角。
各怀绝技:鱼类游泳方式的多样性
鱼类的游泳方式多种多样,远比我们想象的要复杂。最常见的是摆动式游泳,鱼体呈现S形弯曲,从头到尾产生一个行进波,推动鱼向前游动。但这只是冰山一角。
有些鱼类如旗鱼和鲭鱼,采用巡航式游泳。它们的身体呈流线型,尾鳍呈新月形,能够长时间保持高速游动。相比之下,鳗鱼则采用蛇形游动,全身产生大幅度波浪状运动,适合在复杂环境中穿梭。
有趣的是,一些鱼类还发展出了特殊的游泳方式,能利用胸鳍“行走”在海底,而飞鱼则能跃出水面,利用胸鳍滑翔一段距离。这些多样的游泳方式反映了鱼类对不同生态环境的适应。
天生一对:流体动力学与鱼类泳姿
要理解鱼类游泳,离不开流体动力学原理。当鱼在水中游动时,它们实际上在不断地操纵周围的水流。通过身体和鳍的运动,鱼类能够产生和控制涡流,从而获得推进力。
有趣的是,鱼类游泳时产生的涡流并非随机。研究发现,高效游动的鱼类能够产生有组织的涡流系统。这些涡流不仅提供推进力,还能减少水的阻力,让鱼游得更快,更省力。
鱼类游泳的能量效率一直是科学家关注的焦点,研究发现,除了身体结构的优化,鱼类还采用了多种策略来节省能量。有些鱼类如金枪鱼,能够长途迁徙数千公里,这需要极高的能量效率。很多鱼类还会利用“滑行”来节省能量,它们在摆动几下后会短暂地停止运动,利用惯性滑行一段距离。此外,群游也是一种节能策略。跟随前方鱼类产生的涡流,后方的鱼可以省力不少。
下次当你在水族馆或河边观察鱼类时,不妨多留意它们的游动方式。也许你会发现,在看似简单的摆动背后,隐藏着流体动力学的精妙奥秘。而这些奥秘,正在启发我们创造更智能、更高效的未来科技。
涡街游泳:一种独特的游泳方式
卡门涡街是当流体以一定速度流经圆柱体等钝体物体时,在其后方形成的规律交替排列的涡流系列,呈现出类似街道般的有序结构。研究团队的灵感来自一个有趣的现象:在河流中,鱼类常常喜欢在障碍物后方停留,而障碍物的后方常有涡流乃至涡街出现。科学家们好奇,鱼是否能从这些涡流区域的特殊水流中获益?为了探索这个问题,他们设计了一个巧妙的实验。
卡门涡街动图
(图片来源:维基百科)
在实验中,研究人员在水槽里放置了一个D形柱体,用以产生规律的涡流。当活鳟鱼被放入这个环境时,它们展现出一种独特的游泳方式,被称为“卡门步态”。此时鱼体会以一种大幅度、低频率的方式摆动,其频率与涡流的形成频率惊人地一致。这种游泳方式似乎能让鱼在节省能量的同时保持位置不变,甚至逆流而上。
美国国家航空航天局拍摄的智利海岸的胡安·费尔南德斯群岛周围的飓风引起的卡门涡街
(图片来源:维基百科)
但真正让人大吃一惊的是,当研究人员用死去的鳟鱼进行实验时,他们发现即使是死鱼也能展现出类似的“游泳”能力!
虹鳟
(图片来源:维基百科)
死鱼的“复活”之谜
那么,死鱼是如何“游泳”的呢?答案就在流体动力学和鱼体的柔软特性中。当死鱼被放置在涡流中时,来自不同方向的水流作用于鱼体,使其产生周期性的摆动。这种被动的摆动恰好能与水流中的涡旋相互作用,产生向前的推力。
研究人员发现,死鱼的摆动频率和幅度与活鱼非常相似。这意味着,鱼类在利用涡流游泳时,很大程度上是在利用一种被动机制。鱼体的柔软度和形状经过长期进化,已经非常适合这种被动推进。简单来说,这项研究揭示了自然界中一种巧妙的能量利用方式。在湍急的水流中,鱼类不是单纯地与水流对抗,而是学会了“顺势而为”,利用水流中的能量来减少自身的能量消耗。
不仅引人发笑,更引人深思。这项研究不仅有趣,还具有潜在的应用价值。
理解了鱼类如何高效利用涡流,科学家们可能据此开发出新的水下机器人设计。这些机器人可能在湍急的水域中更加灵活,能源效率更高。同时,理解鱼类如何利用涡流也可能帮助我们设计更高效的船舶和潜水器。比如,船体的设计可能会考虑如何更好地利用自身产生的涡流来减少阻力。
此外,这项研究也为我们理解鱼类的生态行为提供了新的视角。在河流和海洋中,鱼类选择特定位置停留或迁徙的原因,可能与它们对水流特性的利用有关。这对于鱼类保护和渔业管理都有重要意义。
2024年搞笑诺贝尔物理学奖的这项研究看似荒诞,实则深具启发性。它提醒我们,科学探索中处处有惊喜,哪怕是一条死鱼,也能揭示自然界的奥秘。这项研究不仅加深了我们对流体动力学的理解,也展示了生物如何巧妙地适应和利用环境。
下次当你在水族馆或河边观察鱼类时,不妨多留意它们的游动方式。也许你会发现,在看似简单的摆动背后,隐藏着流体动力学的精妙奥秘。而这些奥秘,正在启发我们创造更智能、更高效的未来科技。
参考文献:
1. James C. Liao, Neuromuscular Control of Trout Swimming in a Vortex Street: Implications for Energy Economy During the Kármán Gait
2. David N. Beal et. al., Passive Propulsion in Vortex Wakes
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