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懂得流体力学,它们身体构造简单,却是游泳高手

添加时间:2021-01-19 作者:陈天真 来源:十点科学 点击:40 收藏 打印 字体:


月亮水母已经在地球的海洋里游动了超过5亿年,是动物王国里最懂得节省体力的游泳高手。|ALEXANDER SEMENOV/SCIENCE PHOTO LIBRARY  


陆地上的我们在水里很笨拙,但水里的动物却很灵活,比如鱼有流线型的身体,可以毫不费力地在水中穿梭。但水母身体呈透明伞状,边缘缀有柔软触须,看起来似乎只能随波逐流。事实果真如此吗?并不。


最近一项研究发现,一种叫做月亮水母的海洋生物,是动物王国里最懂得节省体力的游泳高手。它们的秘密武器,就是在蘑菇状身体下面形成一道“水墙”,借助这道水墙推动身体向前。这是怎么做到的呢?



成群的水母 |New Scientist


身体构造简单,却是游泳高手


蓝色海洋里,水母就像是一只只漂流的透明气球,分外美丽。它们的肌肉组织只有单层细胞厚度,身体构造也非常简单,没有鱼类的鳃和鳍,甚至没有心脏、血液和大脑,却经受住了严苛的自然选择压力,在地球的海洋里游动了超过5亿年,比恐龙还古老。


在漫长的生命演化过程中,水母逐渐学会了巧妙利用身体和水之间的相互作用,成为动物王国里最懂得节省体力的游泳高手。它们的钟形身体下方有一群特殊的肌肉,可以扩张然后迅速收缩,把身体里包裹的水排出去,通过喷水推进的方法,水母就能向相反方向游动。


不过,它们具体是怎么游的呢?在慢镜头下,科学家们窥探到了其中奥秘。详情发表在1月6日的《英国皇家学会学报B:生物科学》上。


懂得流体力学的水母


在实验室里,科学家们用高速摄像机记录了月亮水母幽灵般的舞动。他们在一个水箱里放入大量微小的玻璃珠,然后用激光照射随水移动的玻璃珠,追踪水母周围液体的流动。



科学家用激光照射随水移动的微小玻璃珠,追踪水母周围液体的流动。|来自论文作者


结果发现,每次当水母收缩它柔软的身体时,周围就会产生两对漩涡。其中一对漩涡(下图红色)使得身体下方区域压强增大,从而提供额外的推动力。随着身体继续收缩,另一对相反方向的漩涡(蓝色)从伞状身体边缘产生,将水推向触须,水流在这里碰撞,形成一道“水墙”。



月亮水母收缩时,伞状身体下方会形成一道“水墙”,推动身体向前。|来自论文


这两对漩涡相互作用,使得水母能够更高效地推动身体向前,比通常情况下移动的距离增加30%。事实上,聪明的水母利用了一种叫做“地面效应”的流体力学原理。


上天入海都用得到的地面效应


地面效应,也被称为翼地效应、翼面效应。当一架飞机即将降落到跑道时,飞机上的你会感觉仿佛漂浮在一层气垫上,这便是由于地面效应。此时飞机周围空气的流动受到地面影响,机身上下的压强差增大,使得上升力陡然增加。如果飞行员没有谨慎应对,飞机甚至会因为地面效应而获得上扬力,突然上升。


甲壳类和鱼类等动物在固体边界——如礁石附近游动时,就会体验到地面效应。水母大多数时候生活在开放水域,却可以凭借只有一层细胞厚的肌肉组织,自己制造出一道水墙,借助水墙的力量产生地面效应,推动自己向前。



飞机接近陆地或水面时,下方会形成气体漩涡,从而获得抬升力。|Wikipedia


而人类工程师也在利用地面效应,来提高推进器的效率。由于地面效应,在同样速度和推力下,飞机在近地飞行会获得更大的上扬力,从而提升燃料效率。前苏联就曾研制出多款翼地效应飞行器(简称“地效飞行器”)。它们贴近陆地或水面飞行,一旦出现紧急情况可随时降落;在水中可以避免浪涛,在陆地上可以飞跃沙漠、沼泽,应用前景十分广阔。


在赛车比赛中,我们常看到速度飞快的赛车像火柴盒一样翻滚出赛道,也是因为地面效应。为了让赛车在转弯时也能保持高车速,设计师们常常在赛车的头部和尾部安装一段小翼面,与机翼的形态恰好相反,上平下弯,以使得在赛车飞奔时产生向下的力,将车身牢牢压在地面上。同时还能增加摩擦力,让车更快速前进。


在未来,工程师们说不定还会借鉴水母的智慧,设计一个水下航行器,让它们生成漩涡,提高水下推进的效率。


你也可以试试,在下次游泳的时候,思考一下流体力学,努力拨弄出几个旋涡。

 

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