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动物也懂物理学

如果一只动物在觅食过程中,不小心从树顶上掉了下来,它们当然不会知道这是地球重力的作用。不过,理论的不足,并不意味着这些动物不会利用艰深的物理规律水黾.jpg来实践。当我们掌握了一些物理知识,将可以理解一些让人类觉得不可思议的动物“神技”和生活习性。

这种动物会轻功水上漂

水面上,一只动物在悠然行走,它身材纤细,六条腿平稳地踩在水面上,滑行起来,速度能达到1.5米/秒,丝毫不会害怕身体被打湿,或者担心自己沉到水里,它就是水黾。为什么水黾不会像大多数动物一样,因为重力的作用而下沉呢?
学过物理学的人会知道,如果物体的重量比液体产生的浮力小,就不会下沉。所以,水黾如果想顺利在水上行走,就需要有非常大的浮力。就像希腊科学家阿基米德指出的,物体浮力等于物体下沉时排开液体的重力。不过,在液体外表面,而不是位于液体内,需要运用不同的计算规则。
一个生物,不论是一片落叶,还是一只水蛭,当它落到液体的表面时,决定它所受的浮力大小的因素,主要是两个:一个是这种液体表面所产生的张力的强弱,另一个是生物接触这种液体的表面积的多少。
所谓液体的张力,就是它的表面会像蹦床一样绷紧,并且具有弹性。水的表面张力是很大的,只要水黾的脚平置于水面,与水的接触面积能够达到1平方厘米,产生的浮力就足以托住体态轻盈的水黾。这就是为什么大多数水黾可以安全地在水上行走,甚至跳跃。
但是水黾中最大的物种——黾蝽,它的个体重量大概有3克,已经接近水面张力所能承受的极限了。为了能保持浮在水面,黾蝽的脚长超过了20厘米,靠增加与水接触的表面积,增大了水的浮力。

长得太“胖”,也能飞得高,跳得远

在二十世纪早期,有学者用传统空气动力学定律证明了大黄蜂是不可能飞行的,因为它们身体过于肥胖,而翅膀又过小,不足以产生超过大黄蜂身体重量的推力。事实是,大黄蜂不仅可以正常飞行,而且研究发现,有的黄蜂飞行的高度可以比珠穆朗玛峰还要高出100多米。那么,这些学者错在哪里呢?
原来,他们采用的模型过于简单,他们假设黄蜂不扇动翅膀,像飞机机翼一样僵硬,而且忽略了大黄蜂翅尖的运动轨迹。
研究发现,比起其他昆虫,为了产生升力,大黄蜂扇动翅膀频率会更高,达到每秒150次。除此之外,大黄蜂的翅尖的轨迹并非是单纯的上下运动,而是呈现一个“8”字型或者“o”型的运动轨迹,当大黄蜂向下拍动翅膀时,这种运动轨迹将在翅的前缘产生一个被称为前缘涡的空气漩涡。由于这个涡的存在,将导致黄蜂翅膀上方产生一个低压区域,类似于小型旋风,从而使得黄蜂获得向上的升力。
与大黄蜂不能飞行这一伪科学类似的是另外一个伪科学:袋鼠不可能存在。曾经有研究者计算了一头普通袋鼠的重量,以及它们跳跃时所消耗的能量,每一天跳跃的次数,结果表明袋鼠没法获得足够的能量来跳跃,如果袋鼠们没法活动,那么它们将没法获得食物,并进行交配。所以,理论上讲,这种动物应该不存在。
如果你假设袋鼠重80千克,每次跳跃都要克服重力做功,就像举重一样,得不断地举起自己的整个身体重量,那么,你的计算会得出袋鼠是没法跳跃的这一结论。但袋鼠的后肢上部的肌肉和肌腱非常强健且富有弹性,当袋鼠双足并拢,跳起又落下时,肌肉绷紧又放松,实际上类似于弹簧的工作原理,可以大幅度节能。
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蜘蛛善于利用静电

美国漫威旗下有一个很受欢迎的超级英雄,他就是蜘蛛侠。蜘蛛侠有很强的攀爬能力,能够徒手在高楼外沿攀爬,甚至能在天花板上穿梭自如,在与敌人打斗中,还能喷出蜘蛛丝牢牢黏住对方。虽然蜘蛛侠在现实生活中不存在,但在动物界,有一个现实版的“蜘蛛侠”——蜘蛛。
蜘蛛也能飞檐走壁,奥秘就藏在蜘蛛的脚底下。
从力学角度来看,当两个固体表面相互靠近时,其间的相互作用力十分复杂,其中包括范德华力、静电力、偶极力、毛细力等。蜘蛛脚掌上有大量的刚毛,当与物体表面的分子间发生作用时,会产生范德华力,范德华力是中性分子彼此距离非常近时,产生的一种微弱电磁力,大量范德华力的叠加就足以支撑蜘蛛的体重。
除了在爬行方面,蜘蛛捕食的本领也很高超。许多人也许会以为,蜘蛛的网具有粘性,小飞蛾、蚊子或者其他动物在飞行过程中,误打误撞碰到了蜘蛛网,才会成为蜘蛛的盘中餐。不过,这些小动物们可不全是误打误撞才被蜘蛛网捕住的。
会飞的昆虫在挥动翅膀时会产生电荷,比如蜜蜂挥动翅膀时可以产生高达200伏特的电荷,以便从带负电的花中获取花粉。研究发现,黏黏的蜘蛛网上面覆盖着一层特殊的静电胶,当带正电的动物与蜘蛛网接近时,带静电的蜘蛛网会弯曲,产生引力,吸引昆虫,最终缠住这些倒霉的动物。
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隐形海马

侏儒海马只有2.5厘米长,有世界最慢的鱼的称号,每小时只行走1.5米。如果水下有一个100米的冲刺,这些尖脑袋、卷尾生物,会花费差不多三天时间才到达终点。但是从物理学上看,它们慢悠悠的生活方式也有一定道理。
在温暖的加勒比海域,住着侏儒海马和大多数鱼类都爱吃的桡足动物,这是一种毫米大小的透明的甲壳动物。为了躲避遍布海洋的劲敌,桡足动物长着敏感的触角,能够检测到最微小的液体运动,一旦察觉到水中动静,桡足动物可以在一秒中游出它们身体500倍的距离,而猎豹每秒钟只能跑出身体30倍的距离。
面对堪称跑步冠军的猎物,速度缓慢的海马想要吃上美餐,必须蹑手蹑脚。幸好海马的头部是一个狭长的三角形,能更好地抵抗液体阻力的干扰,使得水不会有太大振动。研究发现,海马鼻子周围的水几乎不流动,这能帮助它们接近猎物,被海马盯上的猎物,94%会进入口中。
狗狗的甩干大法.jpg
狗狗的甩干大法

把木棍扔进水里,训练有素的狗狗会直接跳进水中,给叼上来。问题是,狗狗皮毛很厚,被打湿了,会使得身体很笨重,一只27千克的湿狗皮毛中会含有0.4千克重的水,它将耗费身体热量的20%来去除水分。那么,狗狗该怎么样保持自己的干爽呢?
显然,用身体热量来加热空气并且蒸发水分,需要耗费很多能量。所以,狗选择了另外一种方式——主动甩干自己。狗甩水动作会从头部开始,能量波以头为基准点,扩散到身体其它部位,且头部扭转幅度越大,振幅波就越大。当狗狗施展“甩干”大法时,虽说身体甩的频率和皮层一样,不过身体可没法像皮层那样大幅度扭转,这是因为皮层更松弛。当身体剧烈甩动时,皮毛甩动的程度比身体和头部都要大,加速度会因此增加,这样的动作,力道可比挥动鞭子。对拉布拉多犬的测试表明,它们用这种方式可以甩干身体70%的水分,比起蒸发这种方式,差不多可以少用99.9%的能量。

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