動物也懂物理學

高嵩

果一只動物在覓食過程中，不小心從樹頂上掉了下來，它們當然不會知道這是地球重力的作用。不過，理論的不足，并不意味著這些動物不會利用艱深的物理規(guī)律來實踐。當我們掌握了一些物理知識，將可以理解一些讓人類覺得不可思議的動物“神技”和生活習性。

這種動物會輕功水上漂

水面上，一只動物在悠然行走，它身材纖細，六條腿平穩(wěn)地踩在水面上，滑行起來，速度能達到1.5米/秒，絲毫不會害怕身體被打濕，或者擔心自己沉到水里，它就是水黽。為什么水黽不會像大多數(shù)動物一樣，因為重力的作用而下沉呢？

學過物理學的人會知道，如果物體的重量比液體產(chǎn)生的浮力小，就不會下沉。所以，水黽如果想順利在水上行走，就需要有非常大的浮力。就像希臘科學家阿基米德指出的，物體浮力等于物體下沉時排開液體的重力。不過，在液體外表面，而不是位于液體內，需要運用不同的計算規(guī)則。

一個生物，不論是一片落葉，還是一只水蛭，當它落到液體的表面時，決定它所受的浮力大小的因素，主要是兩個：一個是這種液體表面所產(chǎn)生的張力的強弱，另一個是生物接觸這種液體的表面積的多少。

所謂液體的張力，就是它的表面會像蹦床一樣繃緊，并且具有彈性。水的表面張力是很大的，只要水黽的腳平置于水面，與水的接觸面積能夠達到1平方厘米，產(chǎn)生的浮力就足以托住體態(tài)輕盈的水黽。這就是為什么大多數(shù)水黽可以安全地在水上行走，甚至跳躍。

但是水黽中最大的物種——黽蝽，它的個體重量大概有3克，已經(jīng)接近水面張力所能承受的極限了。為了能保持浮在水面，黽蝽的腳長超過了20厘米，靠增加與水接觸的表面積，增大了水的浮力。

長得太“胖”，也能飛得高，跳得遠

在二十世紀早期，有學者用傳統(tǒng)空氣動力學定律證明了大黃蜂是不可能飛行的，因為它們身體過于肥胖，而翅膀又過小，不足以產(chǎn)生超過大黃蜂身體重量的推力。事實是，大黃蜂不僅可以正常飛行，而且研究發(fā)現(xiàn)，有的黃蜂飛行的高度可以比珠穆朗瑪峰還要高出100多米。那么，這些學者錯在哪里呢？

原來，他們采用的模型過于簡單，他們假設黃蜂不扇動翅膀，像飛機機翼一樣僵硬，而且忽略了大黃蜂翅尖的運動軌跡。

研究發(fā)現(xiàn)，比起其他昆蟲，為了產(chǎn)生升力，大黃蜂扇動翅膀頻率會更高，達到每秒150次。除此之外，大黃蜂的翅尖的軌跡并非是單純的上下運動，而是呈現(xiàn)一個“8”字型或者“o”型的運動軌跡，當大黃蜂向下拍動翅膀時，這種運動軌跡將在翅的前緣產(chǎn)生一個被稱為前緣渦的空氣漩渦。由于這個渦的存在，將導致黃蜂翅膀上方產(chǎn)生一個低壓區(qū)域，類似于小型旋風，從而使得黃蜂獲得向上的升力。

與大黃蜂不能飛行這一偽科學類似的是另外一個偽科學：袋鼠不可能存在。曾經(jīng)有研究者計算了一頭普通袋鼠的重量，以及它們跳躍時所消耗的能量，每一天跳躍的次數(shù)，結果表明袋鼠沒法獲得足夠的能量來跳躍，如果袋鼠們沒法活動，那么它們將沒法獲得食物，并進行交配。所以，理論上講，這種動物應該不存在。

如果你假設袋鼠重80千克，每次跳躍都要克服重力做功，就像舉重一樣，得不斷地舉起自己的整個身體重量，那么，你的計算會得出袋鼠是沒法跳躍的這一結論。但袋鼠的后肢上部的肌肉和肌腱非常強健且富有彈性，當袋鼠雙足并攏，跳起又落下時，肌肉繃緊又放松，實際上類似于彈簧的工作原理，可以大幅度節(jié)能。

蜘蛛善于利用靜電

美國漫威旗下有一個很受歡迎的超級英雄，他就是蜘蛛俠。蜘蛛俠有很強的攀爬能力，能夠徒手在高樓外沿攀爬，甚至能在天花板上穿梭自如，在與敵人打斗中，還能噴出蜘蛛絲牢牢黏住對方。雖然蜘蛛俠在現(xiàn)實生活中不存在，但在動物界，有一個現(xiàn)實版的“蜘蛛俠”——蜘蛛。

蜘蛛也能飛檐走壁，奧秘就藏在蜘蛛的腳底下。

從力學角度來看，當兩個固體表面相互靠近時，其間的相互作用力十分復雜，其中包括范德華力、靜電力、偶極力、毛細力等。蜘蛛腳掌上有大量的剛毛，當與物體表面的分子間發(fā)生作用時，會產(chǎn)生范德華力，范德華力是中性分子彼此距離非常近時，產(chǎn)生的一種微弱電磁力，大量范德華力的疊加就足以支撐蜘蛛的體重。

除了在爬行方面，蜘蛛捕食的本領也很高超。許多人也許會以為，蜘蛛的網(wǎng)具有粘性，小飛蛾、蚊子或者其他動物在飛行過程中，誤打誤撞碰到了蜘蛛網(wǎng)，才會成為蜘蛛的盤中餐。不過，這些小動物們可不全是誤打誤撞才被蜘蛛網(wǎng)捕住的。

會飛的昆蟲在揮動翅膀時會產(chǎn)生電荷，比如蜜蜂揮動翅膀時可以產(chǎn)生高達200伏特的電荷，以便從帶負電的花中獲取花粉。研究發(fā)現(xiàn)，黏黏的蜘蛛網(wǎng)上面覆蓋著一層特殊的靜電膠，當帶正電的動物與蜘蛛網(wǎng)接近時，帶靜電的蜘蛛網(wǎng)會彎曲，產(chǎn)生引力，吸引昆蟲，最終纏住這些倒霉的動物。

隱形海馬

侏儒海馬只有2.5厘米長，有世界最慢的魚的稱號，每小時只行走1.5米。如果水下有一個100米的沖刺，這些尖腦袋、卷尾生物，會花費差不多三天時間才到達終點。但是從物理學上看，它們慢悠悠的生活方式也有一定道理。

在溫暖的加勒比海域，住著侏儒海馬和大多數(shù)魚類都愛吃的橈足動物，這是一種毫米大小的透明的甲殼動物。為了躲避遍布海洋的勁敵，橈足動物長著敏感的觸角，能夠檢測到最微小的液體運動，一旦察覺到水中動靜，橈足動物可以在一秒中游出它們身體500倍的距離，而獵豹每秒鐘只能跑出身體30倍的距離。

面對堪稱跑步冠軍的獵物，速度緩慢的海馬想要吃上美餐，必須躡手躡腳。幸好海馬的頭部是一個狹長的三角形，能更好地抵抗液體阻力的干擾，使得水不會有太大振動。研究發(fā)現(xiàn)，海馬鼻子周圍的水幾乎不流動，這能幫助它們接近獵物，被海馬盯上的獵物，94%會進入口中。

狗狗的甩干大法

把木棍扔進水里，訓練有素的狗狗會直接跳進水中，給叼上來。問題是，狗狗皮毛很厚，被打濕了，會使得身體很笨重，一只27千克的濕狗皮毛中會含有0.4千克重的水，它將耗費身體熱量的20%來去除水分。那么，狗狗該怎么樣保持自己的干爽呢？

顯然，用身體熱量來加熱空氣并且蒸發(fā)水分，需要耗費很多能量。所以，狗選擇了另外一種方式——主動甩干自己。狗甩水動作會從頭部開始，能量波以頭為基準點，擴散到身體其它部位，且頭部扭轉幅度越大，振幅波就越大。當狗狗施展“甩干”大法時，雖說身體甩的頻率和皮層一樣，不過身體可沒法像皮層那樣大幅度扭轉，這是因為皮層更松弛。當身體劇烈甩動時，皮毛甩動的程度比身體和頭部都要大，加速度會因此增加，這樣的動作，力道可比揮動鞭子。對拉布拉多犬的測試表明，它們用這種方式可以甩干身體70%的水分，比起蒸發(fā)這種方式，差不多可以少用99.9%的能量。