大家都見過魚在水裏遊泳，死去的魚竟也能逆流而上？這聽起來似乎有點荒誕，但 2024 年的搞笑諾貝爾物理學獎卻頒給了一項關于死魚遊泳的相關研究。
來自美國的科學家們因 " 演示和解釋死鳟魚的遊泳能力 " 而獲此殊榮。該研究不僅報道了一種令人驚訝的神奇現象，還揭示了流體動力學的奧秘，爲我們理解魚類如何利用水中渦流節省能量，提供了新的視角。
魚類遊泳 "各懷絕技 "
魚類的遊泳方式多種多樣，遠比我們想象的要複雜，最常見的是擺動式遊泳，魚體呈現 S 形彎曲，從頭到尾産生一個行進波，推動魚向前遊動，但這隻是冰山一角。
有些魚類如旗魚和鲭魚，采用巡航式遊泳，它們的身體呈流線型，尾鳍呈新月形，能夠長時間保持高速遊動。相比之下，鳗魚則采用蛇形遊動，全身産生大幅度波浪狀運動，适合在複雜環境中穿梭。
有趣的是，一些魚類還發展出了特殊的遊泳方式，能利用胸鳍 " 行走 " 在海底，而飛魚則能躍出水面，利用胸鳍滑翔一段距離，這些多樣的遊泳方式反映了魚類對不同生态環境的适應。
飛魚。圖片來源：維基百科
泳姿背後的流體動力學
要理解魚類遊泳，離不開流體動力學原理。當魚在水中遊動時，它們實際上在不斷操縱周圍的水流，通過身體和鳍的運動，能夠産生和控制渦流，從而獲得推進力。
有趣的是，魚類遊泳時産生的渦流并非随機。研究發現，高效遊動的魚類能夠産生有組織的渦流系統。這些渦流不僅提供推進力，還能減少水的阻力，讓魚遊得更快，更省力。
魚類遊泳的能量效率一直是科學家關注的焦點，研究發現，除了身體結構的優化，魚類還采用了多種策略來節省能量。有些魚類如金槍魚，能夠長途遷徙數千公裏，這需要極高的能量效率，很多魚類還會利用 " 滑行 " 來節省能量，它們在擺動幾下後會短暫地停止運動，利用慣性滑行一段距離。此外，群遊也是一種節能策略，跟随前方魚類産生的渦流，後方的魚可以省力不少。
下次，當你在水族館或河邊觀察魚類時，不妨多留意它們的遊動方式。也許你會發現，在看似簡單的擺動背後，隐藏着流體動力學的精妙奧秘，而這些奧秘，正在啓發我們創造更智能、更高效的未來科技。
渦街遊泳：一種獨特的遊泳方式
卡門渦街是當流體以一定速度流經圓柱體等鈍體物體時，在其後方形成的規律交替排列的渦流系列，呈現出類似街道般的有序結構。研究團隊的靈感來自一個有趣的現象：在河流中，魚類常常喜歡在障礙物後方停留，而障礙物的後方常有渦流乃至渦街出現。科學家們好奇，魚是否能從這些渦流區域的特殊水流中獲益？爲了探索這個問題，他們設計了一個巧妙的實驗。
卡門渦街示意圖。圖片來源：維基百科
在實驗中，研究人員在水槽裏放置了一個 D 形柱體，用以産生規律的渦流。當活鳟魚被放入這個環境時，它們展現出一種獨特的遊泳方式，被稱爲 " 卡門步态 "，此時魚體會以一種大幅度、低頻率的方式擺動，其頻率與渦流的形成頻率驚人地一緻。這種遊泳方式似乎能讓魚在節省能量的同時保持位置不變，甚至逆流而上。
美國國家航空航天局拍攝的智利海岸胡安 · 費爾南德斯群島周圍飓風引起的卡門渦街。圖片來源：維基百科
但真正讓人大吃一驚的是，當研究人員用死去的鳟魚進行實驗時，他們發現，即使是死魚也能展現出類似的 " 遊泳 " 能力！
虹鳟。圖片來源：維基百科
死魚的 " 複活 " 之謎
那麽，死魚是如何 " 遊泳 " 的呢？答案就在流體動力學原理和魚體的柔軟特性中。當死魚被放置在渦流中時，來自不同方向的水流作用于魚體，使其産生周期性的擺動，這種被動的擺動恰好能與水流中的渦旋相互作用，産生向前的推力。
研究人員發現，死魚的擺動頻率和幅度與活魚非常相似。這意味着，魚類在利用渦流遊泳時，很大程度上是在利用一種被動機制。魚體的柔軟度和形狀經過長期進化，已經非常适合這種被動推進。簡單來說，這項研究揭示了自然界中一種巧妙的能量利用方式。在湍急的水流中，魚類不是單純地與水流對抗，而是學會了 " 順勢而爲 "，利用水流中的能量來減少自身的能量消耗。
這項研究不僅有趣，還具有潛在的應用價值。
理解了魚類如何高效利用渦流，科學家們可以據此開發出新的水下機器人設計。這些機器人可能在湍急的水域中更加靈活，能源效率更高，同時，理解魚類如何利用渦流也可能幫助我們設計更高效的船舶和潛水器。比如，船體的設計可能會考慮如何更好地利用自身産生的渦流來減少阻力。
此外，這項研究也爲我們理解魚類的生态行爲提供了新的視角。在河流和海洋中，魚類選擇特定位置停留或遷徙的原因，可能與它們對水流特性的利用有關，這對于魚類保護和漁業管理都有重要意義。
2024 年搞笑諾貝爾物理學獎的這項研究看似荒誕，實則深具啓發性。它提醒我們，科學探索中處處有驚喜，哪怕是一條死魚，也能揭示自然界的奧秘。這項研究不僅加深了我們對流體動力學的理解，也展示了生物如何巧妙地适應和利用環境。
下次當你在水族館或河邊觀察魚類時，不妨多留意它們的遊動方式，你會發現，在看似簡單的擺動背後，隐藏着流體動力學的精妙奧秘，而這些奧秘，正在啓發我們創造更智能、更高效的未來科技。
參考文獻
[ 1 ] James C. Liao, Neuromuscular Control of Trout Swimming in a Vortex Street: Implications for Energy Economy During the K á rm á n Gait
[ 2 ] David N. Beal et. al., Passive Propulsion in Vortex Wakes
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出品丨科普中國
作者丨王佳音 中國科學院先進技術研究院
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