死魚也能逆流而上？揭秘奇妙的渦街游泳

出品：科普中國(guó)

作者：王佳音（中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究院）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

大家應(yīng)該都見過魚在水里游泳，那死去的魚呢？這聽起來似乎有點(diǎn)荒誕，但2024年的搞笑諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)卻頒給了一項(xiàng)關(guān)于死魚游泳的相關(guān)研究。

來自美國(guó)的科學(xué)家們因“演示和解釋死鱒魚的游泳能力”而獲此殊榮。該研究不僅報(bào)道了一種令人驚訝的神奇現(xiàn)象，還揭示了流體動(dòng)力學(xué)的奧秘，為我們理解魚類如何利用水中的渦流節(jié)省能量提供了新的視角。

各懷絕技：魚類游泳方式的多樣性

魚類的游泳方式多種多樣，遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜。最常見的是擺動(dòng)式游泳，魚體呈現(xiàn)S形彎曲，從頭到尾產(chǎn)生一個(gè)行進(jìn)波，推動(dòng)魚向前游動(dòng)。但這只是冰山一角。

有些魚類如旗魚和鯖魚，采用巡航式游泳。它們的身體呈流線型，尾鰭呈新月形，能夠長(zhǎng)時(shí)間保持高速游動(dòng)。相比之下，鰻魚則采用蛇形游動(dòng)，全身產(chǎn)生大幅度波浪狀運(yùn)動(dòng)，適合在復(fù)雜環(huán)境中穿梭。

有趣的是，一些魚類還發(fā)展出了特殊的游泳方式，能利用胸鰭“行走”在海底，而飛魚則能躍出水面，利用胸鰭滑翔一段距離。這些多樣的游泳方式反映了魚類對(duì)不同生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)。

飛魚

（圖片來源：維基百科）

天生一對(duì)：流體動(dòng)力學(xué)與魚類泳姿

要理解魚類游泳，離不開流體動(dòng)力學(xué)原理。當(dāng)魚在水中游動(dòng)時(shí)，它們實(shí)際上在不斷地操縱周圍的水流。通過身體和鰭的運(yùn)動(dòng)，魚類能夠產(chǎn)生和控制渦流，從而獲得推進(jìn)力。

有趣的是，魚類游泳時(shí)產(chǎn)生的渦流并非隨機(jī)。研究發(fā)現(xiàn)，高效游動(dòng)的魚類能夠產(chǎn)生有組織的渦流系統(tǒng)。這些渦流不僅提供推進(jìn)力，還能減少水的阻力，讓魚游得更快，更省力。

魚類游泳的能量效率一直是科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)，除了身體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，魚類還采用了多種策略來節(jié)省能量。有些魚類如金槍魚，能夠長(zhǎng)途遷徙數(shù)千公里，這需要極高的能量效率。很多魚類還會(huì)利用“滑行”來節(jié)省能量，它們?cè)跀[動(dòng)幾下后會(huì)短暫地停止運(yùn)動(dòng)，利用慣性滑行一段距離。此外，群游也是一種節(jié)能策略。跟隨前方魚類產(chǎn)生的渦流，后方的魚可以省力不少。

下次當(dāng)你在水族館或河邊觀察魚類時(shí)，不妨多留意它們的游動(dòng)方式。也許你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在看似簡(jiǎn)單的擺動(dòng)背后，隱藏著流體動(dòng)力學(xué)的精妙?yuàn)W秘。而這些奧秘，正在啟發(fā)我們創(chuàng)造更智能、更高效的未來科技。

渦街游泳：一種獨(dú)特的游泳方式

卡門渦街是當(dāng)流體以一定速度流經(jīng)圓柱體等鈍體物體時(shí)，在其后方形成的規(guī)律交替排列的渦流系列，呈現(xiàn)出類似街道般的有序結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)的靈感來自一個(gè)有趣的現(xiàn)象：在河流中，魚類常常喜歡在障礙物后方停留，而障礙物的后方常有渦流乃至渦街出現(xiàn)?？茖W(xué)家們好奇，魚是否能從這些渦流區(qū)域的特殊水流中獲益？為了探索這個(gè)問題，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)。

卡門渦街動(dòng)圖

（圖片來源：維基百科）

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員在水槽里放置了一個(gè)D形柱體，用以產(chǎn)生規(guī)律的渦流。當(dāng)活鱒魚被放入這個(gè)環(huán)境時(shí)，它們展現(xiàn)出一種獨(dú)特的游泳方式，被稱為“卡門步態(tài)”。此時(shí)魚體會(huì)以一種大幅度、低頻率的方式擺動(dòng)，其頻率與渦流的形成頻率驚人地一致。這種游泳方式似乎能讓魚在節(jié)省能量的同時(shí)保持位置不變，甚至逆流而上。

美國(guó)國(guó)家航空航天局拍攝的智利海岸的胡安·費(fèi)爾南德斯群島周圍的颶風(fēng)引起的卡門渦街

（圖片來源：維基百科）

但真正讓人大吃一驚的是，當(dāng)研究人員用死去的鱒魚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)即使是死魚也能展現(xiàn)出類似的“游泳”能力！

虹鱒

（圖片來源：維基百科）

死魚的“復(fù)活”之謎

那么，死魚是如何“游泳”的呢？答案就在流體動(dòng)力學(xué)和魚體的柔軟特性中。當(dāng)死魚被放置在渦流中時(shí)，來自不同方向的水流作用于魚體，使其產(chǎn)生周期性的擺動(dòng)。這種被動(dòng)的擺動(dòng)恰好能與水流中的渦旋相互作用，產(chǎn)生向前的推力。

研究人員發(fā)現(xiàn)，死魚的擺動(dòng)頻率和幅度與活魚非常相似。這意味著，魚類在利用渦流游泳時(shí)，很大程度上是在利用一種被動(dòng)機(jī)制。魚體的柔軟度和形狀經(jīng)過長(zhǎng)期進(jìn)化，已經(jīng)非常適合這種被動(dòng)推進(jìn)。簡(jiǎn)單來說，這項(xiàng)研究揭示了自然界中一種巧妙的能量利用方式。在湍急的水流中，魚類不是單純地與水流對(duì)抗，而是學(xué)會(huì)了“順勢(shì)而為”，利用水流中的能量來減少自身的能量消耗。

不僅引人發(fā)笑，更引人深思。這項(xiàng)研究不僅有趣，還具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

理解了魚類如何高效利用渦流，科學(xué)家們可能據(jù)此開發(fā)出新的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)。這些機(jī)器人可能在湍急的水域中更加靈活，能源效率更高。同時(shí)，理解魚類如何利用渦流也可能幫助我們?cè)O(shè)計(jì)更高效的船舶和潛水器。比如，船體的設(shè)計(jì)可能會(huì)考慮如何更好地利用自身產(chǎn)生的渦流來減少阻力。

此外，這項(xiàng)研究也為我們理解魚類的生態(tài)行為提供了新的視角。在河流和海洋中，魚類選擇特定位置停留或遷徙的原因，可能與它們對(duì)水流特性的利用有關(guān)。這對(duì)于魚類保護(hù)和漁業(yè)管理都有重要意義。

2024年搞笑諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的這項(xiàng)研究看似荒誕，實(shí)則深具啟發(fā)性。它提醒我們，科學(xué)探索中處處有驚喜，哪怕是一條死魚，也能揭示自然界的奧秘。這項(xiàng)研究不僅加深了我們對(duì)流體動(dòng)力學(xué)的理解，也展示了生物如何巧妙地適應(yīng)和利用環(huán)境。

下次當(dāng)你在水族館或河邊觀察魚類時(shí)，不妨多留意它們的游動(dòng)方式。也許你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在看似簡(jiǎn)單的擺動(dòng)背后，隱藏著流體動(dòng)力學(xué)的精妙?yuàn)W秘。而這些奧秘，正在啟發(fā)我們創(chuàng)造更智能、更高效的未來科技。

參考文獻(xiàn)：

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