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鱼为什么游得那么快?中国科学家用计算机模拟技术揭晓答案

时间:2019-11-06 来源:凌志聊历史

鱼类是如何产生推力的?有两种解释性理论,这两个理论孰是孰非物理学家已经争论了 50 年。如今,计算机模拟技术给出了答案。

在游泳方面,鱼类毫不费力地做到兼具优雅与力量于一身,而这也正是人类梦寐以求的地方。鱼类最快的游速能达到每小时 70 英里,而人类甚至难以达到每小时 4 英里,即便是最快的潜艇也只能达到每小时 50 英里。

鱼类究竟是如何拥有如此能力仍然是个谜。物理学家、生物学家和工程师长期以来对特征性波动和它产生的水动力百思不得其解。实际上,专家们提出两种水动力推进理论来进行解释,尽管这些理论可以追溯到 20 世纪 50 年代和 60 年代。但一直无人知晓哪一种是正确的。

北京计算科学研究中心(Beijing Computational Science Research Center)的明廷玉(Tingyu Ming)和同事在超级计算机上模拟了鱼类的推进动作,并借助真实鱼类运动的详细测量数据来校准结果。他们的模型首次解释了鱼类如何产生推力,甚至包括为什么某些解剖结构(如肌腱)如此重要。

(图片来源:麻省理工科技评论)

首先我们需要了解一些背景。在特征性波动游泳运动中,鱼类的肌肉沿着身体顺序收缩,产生身体弯曲的后向运动波。这会同水体产生摩擦并产生推力。

但这种推力究竟如何产生依旧是个谜团。1952 年,英国物理学家杰弗里泰勒(Geoffrey Taylor)考虑了鱼类身体的各个部分与水之间的相互作用。他认为,鱼类身体的各个部分均产生阻力(一种阻挡运动的力)。当其身体摆动时,垂直方向的阻力会大于水平方向的阻力。由此才会产生水平方向或向前的推动力。这种观点被称为阻力理论。

但是在 1960 年,英国数学家詹姆斯·莱特希尔(James Lighthill)提出了不同观点,他认为推力的主导因素是水的惯性。由此扁平的鱼类才得以通过小振幅波动来产生推力。这被称为细长体理论。

这两种理论的关键区别在于产生的力归于不同类型。泰勒认为,推力产生于阻力,虽然其作用方向与物体运动方向相反,但与速度保持一致。莱特希尔认为,推力产生于反作用力,其作用方向与作用力相反,并与加速度保持一致。

这一差异看似微妙,但对于理解鱼类如何游动以及进行人工复制十分关键。

(图片来源:麻省理工科技评论)

为了弄清真相,该团队创建了两种鱼类的 3D 计算流体动力学模型:一种是鳗状的鱼类,如鳗鱼;一种是鲹行式鱼类,如鲭鱼。两种鱼类的主要的区别在于,鳗状鱼类游动时摆动整个身体,而鲹行式鱼类只有身体的后半部分弯曲较为明显。

该团队利用真实鱼类运动的研究来校准模型,并计算每种体型产生的力、扭矩和功率。

实验结果十分有趣。研究证明,这两种理论都是正确的,但要视体型类型甚至是身体的不同部位而定。

例如,对于鲭鱼型鱼类和鳗鱼型鱼类来说,身体中间部分产生的阻力更为重要,因为这一部为相对平滑和均匀。但对鲭鱼式鱼类而言,尾巴附近产生的反作用力更为重要。

弹性的作用也同样不容小觑。虽然没人能够测量鱼类在游动时其身体的弹性,但人们普遍认为鱼类身体的弹性有助于储存能量以及提高游泳效率。

通过展示弹性如何随着身体产生的力而变化,该团队搭建的模型也提供了一些见解。研究人员展示了鳗鱼和鲭鱼如何在身体的不同部位以及每一个波动周期的不同时间都保持弹性。他们表示:“这一观察结果与先前的研究结果一致,即适当的弹性可以节省和恢复能量,从而提高效率。”

该发现提出了新的问题:这种能量转移是如何通过鱼的身体产生的?鲭鱼型鱼类的一项解剖学特征表现为,它们的肌腱沿着身体向尾部伸展。如果正如泰勒的理论所言,每个椎骨都作为一个独立单位,那么这种肌腱就没有必要了。

但是在该团队开发的新模型中,这正是重中之重。他们表示:“我们会预先假设这些长肌腱用于传递能量。”

这项工作十分有趣,不仅在于它详细剖析了自然界中最常见的推进形式之一。事实证明,鱼类推进问题要比预想复杂得多,并且人类难以复制。

但是,对于希望使用人工设备重现鱼类推进力的生物工程师,该团队的研究工作为其提供了一条道路。有朝一日,这项工作可能会帮助提升潜艇速度。人类还有许多事情需要赶超呢!