動(dòng)物也懂物理學(xué)

高嵩

如果一只動(dòng)物在覓食過程中，不小心從樹頂上掉了下來，它們當(dāng)然不會(huì)知道這是地球引力在作祟。不過，理論的不足，并不意味著這些動(dòng)物不會(huì)利用艱深的物理規(guī)律來實(shí)踐。當(dāng)我們掌握了一些物理知識(shí)后，就可以理解一些讓人類覺得不可思議的動(dòng)物“神技”和生活習(xí)性。

這種動(dòng)物會(huì)“輕功”

水面上，一只動(dòng)物在悠然行走，它身材纖細(xì)，六條腿平穩(wěn)地踩在水面上，絲毫不會(huì)害怕身體被打濕，或者擔(dān)心自己沉到水里，它就是水黽。為什么水黽不會(huì)像大多數(shù)動(dòng)物一樣，因?yàn)橹亓Φ淖饔枚鲁聊兀?p>

學(xué)過物理學(xué)的人都知道，如果物體的重量比液體產(chǎn)生的浮力小，就不會(huì)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(xué)家阿基米德指出的，物體浮力等于物體下沉?xí)r排開液體的重力。不過是在液體外表面，而不是位于液體內(nèi)，需要運(yùn)用不同的計(jì)算規(guī)則。

不論落葉還是水黽，當(dāng)它落到液體的表面時(shí)，決定其所受浮力大小的因素，主要有兩個(gè)：一個(gè)是這種液體表面所產(chǎn)生的張力的強(qiáng)弱，另一個(gè)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(huì)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(dá)到一平方厘米，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的原因。

長得太“胖”，也能飛得高，跳得遠(yuǎn)

在20世紀(jì)早期，有學(xué)者用傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)定律證明了大黃蜂是不可能飛行的，因?yàn)樗鼈兩眢w過于肥胖，而翅膀又太小，不足以產(chǎn)生超過大黃蜂身體重量的推力。事實(shí)上，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(xué)者錯(cuò)在哪里呢？

原來，他們采用的模型過于簡單，他們假設(shè)黃蜂不扇動(dòng)翅膀，像飛機(jī)機(jī)翼一樣僵硬，而且忽略了大黃蜂翅尖的運(yùn)動(dòng)軌跡。

比起其他昆蟲，為了產(chǎn)生升力，大黃蜂扇動(dòng)翅膀的頻率會(huì)更高，每秒達(dá)150次。除此之外，大黃蜂翅尖的軌跡并非是單純的上下運(yùn)動(dòng)，而是呈現(xiàn)一個(gè)“8”字型或者“q”型的運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)大黃蜂向下拍動(dòng)翅膀時(shí)，這種運(yùn)動(dòng)軌跡將在翅膀的前緣產(chǎn)生一個(gè)被稱為前緣渦的空氣漩渦。這個(gè)渦的存在，可導(dǎo)致黃蜂翅膀上方產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)域，類似于小型旋風(fēng)，從而使得黃蜂獲得向上的升力。

蜘蛛善于利用靜電

美國漫威旗下有一個(gè)很受歡迎的超級英雄，他就是蜘蛛俠。蜘蛛俠有很強(qiáng)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，在與敵人打斗時(shí)，還能噴出蜘蛛絲牢牢黏住對方。雖然蜘蛛俠在現(xiàn)實(shí)生活中不存在，但在動(dòng)物界，有一個(gè)現(xiàn)實(shí)版的“蜘蛛俠”——蜘蛛。

蜘蛛之所以能飛檐走壁，奧秘就藏在它的腳底下。從力學(xué)角度來看，當(dāng)兩個(gè)固體表面相互靠近時(shí)，其間的相互作用力十分復(fù)雜，其中包括范德華力、靜電力、偶極力、毛細(xì)力等。蜘蛛腳掌上有大量的剛毛，當(dāng)與物體表面的分子間發(fā)生作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時(shí)，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(lǐng)也很高超。許多人也許會(huì)以為，蜘蛛的網(wǎng)具有黏性，小飛蛾、蚊子或者其他動(dòng)物在飛行過程中，誤打誤撞碰到了蜘蛛網(wǎng)，才會(huì)成為蜘蛛的盤中餐。不過，這些小動(dòng)物們可不全是誤打誤撞才被蜘蛛網(wǎng)捕捉的。

隱形海馬

侏儒海馬只有2.5厘米長，被稱為“世界上最慢的魚”，每小時(shí)只行走1.5米。如果水下有一個(gè)100米的沖刺。這些尖腦袋、卷尾生物會(huì)花費(fèi)差不多3天時(shí)間才到達(dá)終點(diǎn)，但是從物理學(xué)角度分析，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(dòng)物，這是一種毫米大小的透明甲殼動(dòng)物。為了躲避遍布海洋的勁敵，橈足動(dòng)物長著敏感的觸角，能夠檢測到最微小的液體運(yùn)動(dòng)，一旦察覺到水中動(dòng)靜，橈足動(dòng)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(gè)狹長的三角形，能更好地抵抗液體阻力的干擾，使得水不會(huì)有太大振動(dòng)。

狗狗的甩干大法

把木棍扔進(jìn)水里，訓(xùn)練有素的狗狗會(huì)直接跳進(jìn)水中將其叼上來。問題是，狗狗皮毛很厚，被打濕后，身體會(huì)很笨重，一只27千克的濕狗皮毛中會(huì)含有0.4千克重的水，狗狗將耗費(fèi)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？

用身體熱量來加熱空氣并且蒸發(fā)水分，需要耗費(fèi)很多能量。所以，狗選擇了另外一種方式——主動(dòng)甩干自己。狗甩水動(dòng)作會(huì)從頭部開始，能量波以頭為基準(zhǔn)點(diǎn)，擴(kuò)散到身體其他部位，且頭部扭轉(zhuǎn)幅度越大，振幅波就越大。當(dāng)狗狗施展“甩干”大法時(shí)，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(zhuǎn)，這是因?yàn)槠痈沙凇．?dāng)身體劇烈甩動(dòng)時(shí)，皮毛甩動(dòng)的程度比身體和頭部都要大，加速度會(huì)因此增加，這樣的動(dòng)作，力道有如揮動(dòng)鞭子。endprint