科學家發(fā)現(xiàn)：這種魚死后還能游動，甚至能逆流而上！

  科普中國   2024-10-11 13:32:00

大家都見過魚在水里游泳，死去的魚竟也能逆流而上？這聽起來似乎有點荒誕，但 2024 年的搞笑諾貝爾物理學獎卻頒給了一項關于死魚游泳的相關研究。

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

魚類游泳“各懷絕技”

魚類的游泳方式多種多樣，遠比我們想象的要復雜， 最常見的是擺動式游泳， 魚體呈現(xiàn) S 形彎曲，從頭到尾產(chǎn)生一個行進波，推動魚向前游動，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，能夠長時間保持高速游動。相比之下， 鰻魚則采用蛇形游動， 全身產(chǎn)生大幅度波浪狀運動，適合在復雜環(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不同生態(tài)環(huán)境的適應。

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飛魚。圖片來源：維基百科

泳姿背后的 流體動力學

要理解魚類游泳，離不開流體動力學原理。當魚在水中游動時，它們實際上在不斷操縱周圍的水流，通過身體和鰭的運動，能夠產(chǎn)生和控制渦流，從而獲得推進力。

有趣的是，魚類游泳時產(chǎn)生的渦流并非隨機。 研究發(fā)現(xiàn)，高效游動的魚類能夠產(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家關注的焦點，研究發(fā)現(xiàn)， 除了身體結構的優(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，能夠長途遷徙數(shù)千公里，這需要極高的能量效率，很多魚類還會利用“滑行”來節(jié)省能量，它們在擺動幾下后會短暫地停止運動，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，當你在水族館或河邊觀察魚類時，不妨多留意它們的游動方式。也許你會發(fā)現(xiàn)，在看似簡單的擺動背后，隱藏著流體動力學的精妙奧秘，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：一種獨特的游泳方式

卡門渦街是當流體以一定速度流經(jīng)圓柱體等鈍體物體時，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構。 研究團隊的靈感來自一個有趣的現(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)。科學家們好奇，魚是否能從這些渦流區(qū)域的特殊水流中獲益？為了探索這個問題，他們設計了一個巧妙的實驗。

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卡門渦街示意圖。圖片來源：維基百科

在實驗中，研究人員在水槽里放置了一個 D 形柱體，用以產(chǎn)生規(guī)律的渦流。當活鱒魚被放入這個環(huán)境時，它們展現(xiàn)出一種獨特的游泳方式，被稱為“卡門步態(tài)”，此時魚體會以一種大幅度、低頻率的方式擺動，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)省能量的同時保持位置不變，甚至逆流而上。

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美國國家航空航天局拍攝的智利海岸胡安·費爾南德斯群島周圍颶風引起的卡門渦街。圖片來源：維基百科

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

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虹鱒。圖片來源：維基百科

死魚的“復活”之謎

那么，死魚是如何“游泳”的呢？答案就在流體動力學原理和魚體的柔軟特性中。當死魚被放置在渦流中時，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，這種被動的擺動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，很大程度上是在利用一種被動機制。魚體的柔軟度和形狀經(jīng)過長期進化，已經(jīng)非常適合這種被動推進。簡單來說， 這項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抗，而是學會了“順勢而為”，利用水流中的能量來減少自身的能量消耗。
這項研究不僅有趣，還具有潛在的應用價值。
理解了魚類如何高效利用渦流，科學家們可以據(jù)此開發(fā)出新的水下機器人設計。 這些機器人可能在湍急的水域中更加靈活，能源效率更高，同時，理解魚類如何利用渦流也可能幫助我們設計更高效的船舶和潛水器。比如，船體的設計可能會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，可能與它們對水流特性的利用有關，這對于魚類保護和漁業(yè)管理都有重要意義。
2024 年搞笑諾貝爾物理學獎的這項研究看似荒誕，實則深具啟發(fā)性。它提醒我們，科學探索中處處有驚喜，哪怕是一條死魚，也能揭示自然界的奧秘。這項研究不僅加深了我們對流體動力學的理解，也展示了生物如何巧妙地適應和利用環(huán)境。
下次當你在水族館或河邊觀察魚類時，不妨多留意它們的游動方式，你會發(fā)現(xiàn)，在看似簡單的擺動背后，隱藏著流體動力學的精妙奧秘，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。

責編：周陽樂

一審：周陽樂

二審：劉文韜

三審：楊又華

來源：科普中國

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