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死魚也能逆流而上?揭秘奇妙的渦街游泳

中國(guó)科普博覽
原創(chuàng)
中國(guó)科協(xié)、中科院攜手“互聯(lián)網(wǎng)+科普”平臺(tái),深耕科普內(nèi)容創(chuàng)作
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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

內(nèi)容資源由項(xiàng)目單位提供

評(píng)論
內(nèi)蒙古趙華
庶吉士級(jí)
該文章告訴我們,科學(xué)研究目標(biāo)的復(fù)雜性與多樣化,一條連吃的價(jià)值也沒有的死魚,也能揭示自然界的奧秘??梢?,不同的魚類,在長(zhǎng)期自然進(jìn)化過程中,如何巧妙的利用海洋渦流實(shí)現(xiàn)快速前進(jìn)的,對(duì)人類深入研究流體動(dòng)力學(xué)有重要的啟發(fā)意義。
2024-10-13
科普中國(guó)●yling
進(jìn)士級(jí)
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,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。
2024-10-13
科普中國(guó)●yling
進(jìn)士級(jí)
這項(xiàng)研究不僅有趣,還具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,不僅引人發(fā)笑,更引人深思。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,這對(duì)于魚類保護(hù)和漁業(yè)管理都有重要意義。
2024-10-13