懂得流體力學(xué)，它們身體構(gòu)造簡單，卻是游泳高手

陸地上的我們在水里很笨拙，但水里的動(dòng)物卻很靈活，比如魚有流線型的身體，可以毫不費(fèi)力地在水中穿梭。但水母身體呈透明傘狀，邊緣綴有柔軟觸須，看起來似乎只能隨波逐流。事實(shí)果真如此嗎？并不。

最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，一種叫做月亮水母的海洋生物，是動(dòng)物王國里最懂得節(jié)省體力的游泳高手。它們的秘密武器，就是在蘑菇狀身體下面形成一道“水墻”，借助這道水墻推動(dòng)身體向前。這是怎么做到的呢？

身體構(gòu)造簡單，卻是游泳高手

藍(lán)色海洋里，水母就像是一只只漂流的透明氣球，分外美麗。它們的肌肉組織只有單層細(xì)胞厚度，身體構(gòu)造也非常簡單，沒有魚類的鰓和鰭，甚至沒有心臟、血液和大腦，卻經(jīng)受住了嚴(yán)苛的自然選擇壓力，在地球的海洋里游動(dòng)了超過5億年，比恐龍還古老。

在漫長的生命演化過程中，水母逐漸學(xué)會了巧妙利用身體和水之間的相互作用，成為動(dòng)物王國里最懂得節(jié)省體力的游泳高手。它們的鐘形身體下方有一群特殊的肌肉，可以擴(kuò)張然后迅速收縮，把身體里包裹的水排出去，通過噴水推進(jìn)的方法，水母就能向相反方向游動(dòng)。

不過，它們具體是怎么游的呢？在慢鏡頭下，科學(xué)家們窺探到了其中奧秘。詳情發(fā)表在1月6日的《英國皇家學(xué)會學(xué)報(bào)B：生物科學(xué)》上。

懂得流體力學(xué)的水母

在實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家們用高速攝像機(jī)記錄了月亮水母幽靈般的舞動(dòng)。他們在一個(gè)水箱里放入大量微小的玻璃珠，然后用激光照射隨水移動(dòng)的玻璃珠，追蹤水母周圍液體的流動(dòng)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每次當(dāng)水母收縮它柔軟的身體時(shí)，周圍就會產(chǎn)生兩對漩渦。其中一對漩渦（下圖紅色）使得身體下方區(qū)域壓強(qiáng)增大，從而提供額外的推動(dòng)力。隨著身體繼續(xù)收縮，另一對相反方向的漩渦（藍(lán)色）從傘狀身體邊緣產(chǎn)生，將水推向觸須，水流在這里碰撞，形成一道“水墻”。

這兩對漩渦相互作用，使得水母能夠更高效地推動(dòng)身體向前，比通常情況下移動(dòng)的距離增加30%。事實(shí)上，聰明的水母利用了一種叫做“地面效應(yīng)”的流體力學(xué)原理。

上天入海都用得到的地面效應(yīng)

地面效應(yīng)，也被稱為翼地效應(yīng)、翼面效應(yīng)。當(dāng)一架飛機(jī)即將降落到跑道時(shí)，飛機(jī)上的你會感覺仿佛漂浮在一層氣墊上，這便是由于地面效應(yīng)。此時(shí)飛機(jī)周圍空氣的流動(dòng)受到地面影響，機(jī)身上下的壓強(qiáng)差增大，使得上升力陡然增加。如果飛行員沒有謹(jǐn)慎應(yīng)對，飛機(jī)甚至?xí)驗(yàn)榈孛嫘?yīng)而獲得上揚(yáng)力，突然上升。

甲殼類和魚類等動(dòng)物在固體邊界——如礁石附近游動(dòng)時(shí)，就會體驗(yàn)到地面效應(yīng)。水母大多數(shù)時(shí)候生活在開放水域，卻可以憑借只有一層細(xì)胞厚的肌肉組織，自己制造出一道水墻，借助水墻的力量產(chǎn)生地面效應(yīng)，推動(dòng)自己向前。

而人類工程師也在利用地面效應(yīng)，來提高推進(jìn)器的效率。由于地面效應(yīng)，在同樣速度和推力下，飛機(jī)在近地飛行會獲得更大的上揚(yáng)力，從而提升燃料效率。前蘇聯(lián)就曾研制出多款翼地效應(yīng)飛行器（簡稱“地效飛行器”）。它們貼近陸地或水面飛行，一旦出現(xiàn)緊急情況可隨時(shí)降落;在水中可以避免浪濤，在陸地上可以飛躍沙漠、沼澤，應(yīng)用前景十分廣闊。

在賽車比賽中，我們?？吹剿俣蕊w快的賽車像火柴盒一樣翻滾出賽道，也是因?yàn)榈孛嫘?yīng)。為了讓賽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)也能保持高車速，設(shè)計(jì)師們常常在賽車的頭部和尾部安裝一段小翼面，與機(jī)翼的形態(tài)恰好相反，上平下彎，以使得在賽車飛奔時(shí)產(chǎn)生向下的力，將車身牢牢壓在地面上。同時(shí)還能增加摩擦力，讓車更快速前進(jìn)。

在未來，工程師們說不定還會借鑒水母的智慧，設(shè)計(jì)一個(gè)水下航行器，讓它們生成漩渦，提高水下推進(jìn)的效率。

你也可以試試，在下次游泳的時(shí)候，思考一下流體力學(xué)，努力撥弄出幾個(gè)旋渦。