魚類是如何產(chǎn)生推力的?有兩種解釋性理論,這兩個(gè)理論孰是孰非物理學(xué)家已經(jīng)爭(zhēng)論了 50 年。如今,計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)給出了答案。
在游泳方面,魚類毫不費(fèi)力地做到兼具優(yōu)雅與力量于一身,而這也正是人類夢(mèng)寐以求的地方。魚類最快的游速能達(dá)到每小時(shí) 70 英里,而人類甚至難以達(dá)到每小時(shí) 4 英里,即便是最快的潛艇也只能達(dá)到每小時(shí) 50 英里。
魚類究竟是如何擁有如此能力仍然是個(gè)謎。物理學(xué)家、生物學(xué)家和工程師長(zhǎng)期以來對(duì)特征性波動(dòng)和它產(chǎn)生的水動(dòng)力百思不得其解。實(shí)際上,專家們提出兩種水動(dòng)力推進(jìn)理論來進(jìn)行解釋,盡管這些理論可以追溯到 20 世紀(jì) 50 年代和 60 年代。但一直無人知曉哪一種是正確的。
北京計(jì)算科學(xué)研究中心(Beijing Computational Science Research Center)的明廷玉(TIngyu Ming)和同事在超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬了魚類的推進(jìn)動(dòng)作,并借助真實(shí)魚類運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)測(cè)量數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)結(jié)果。他們的模型首次解釋了魚類如何產(chǎn)生推力,甚至包括為什么某些解剖結(jié)構(gòu)(如肌腱)如此重要。
首先我們需要了解一些背景。在特征性波動(dòng)游泳運(yùn)動(dòng)中,魚類的肌肉沿著身體順序收縮,產(chǎn)生身體彎曲的后向運(yùn)動(dòng)波。這會(huì)同水體產(chǎn)生摩擦并產(chǎn)生推力。
但這種推力究竟如何產(chǎn)生依舊是個(gè)謎團(tuán)。1952 年,英國物理學(xué)家杰弗里泰勒(Geoffrey Taylor)考慮了魚類身體的各個(gè)部分與水之間的相互作用。他認(rèn)為,魚類身體的各個(gè)部分均產(chǎn)生阻力(一種阻擋運(yùn)動(dòng)的力)。當(dāng)其身體擺動(dòng)時(shí),垂直方向的阻力會(huì)大于水平方向的阻力。由此才會(huì)產(chǎn)生水平方向或向前的推動(dòng)力。這種觀點(diǎn)被稱為阻力理論。
但是在 1960 年,英國數(shù)學(xué)家詹姆斯·萊特希爾(James Lighthill)提出了不同觀點(diǎn),他認(rèn)為推力的主導(dǎo)因素是水的慣性。由此扁平的魚類才得以通過小振幅波動(dòng)來產(chǎn)生推力。這被稱為細(xì)長(zhǎng)體理論。
這兩種理論的關(guān)鍵區(qū)別在于產(chǎn)生的力歸于不同類型。泰勒認(rèn)為,推力產(chǎn)生于阻力,雖然其作用方向與物體運(yùn)動(dòng)方向相反,但與速度保持一致。萊特希爾認(rèn)為,推力產(chǎn)生于反作用力,其作用方向與作用力相反,并與加速度保持一致。
這一差異看似微妙,但對(duì)于理解魚類如何游動(dòng)以及進(jìn)行人工復(fù)制十分關(guān)鍵。
為了弄清真相,該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了兩種魚類的 3D 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型:一種是鰻狀的魚類,如鰻魚;一種是鲹行式魚類,如鯖魚。兩種魚類的主要的區(qū)別在于,鰻狀魚類游動(dòng)時(shí)擺動(dòng)整個(gè)身體,而鲹行式魚類只有身體的后半部分彎曲較為明顯。
該團(tuán)隊(duì)利用真實(shí)魚類運(yùn)動(dòng)的研究來校準(zhǔn)模型,并計(jì)算每種體型產(chǎn)生的力、扭矩和功率。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分有趣。研究證明,這兩種理論都是正確的,但要視體型類型甚至是身體的不同部位而定。
例如,對(duì)于鯖魚型魚類和鰻魚型魚類來說,身體中間部分產(chǎn)生的阻力更為重要,因?yàn)檫@一部為相對(duì)平滑和均勻。但對(duì)鯖魚式魚類而言,尾巴附近產(chǎn)生的反作用力更為重要。
彈性的作用也同樣不容小覷。雖然沒人能夠測(cè)量魚類在游動(dòng)時(shí)其身體的彈性,但人們普遍認(rèn)為魚類身體的彈性有助于儲(chǔ)存能量以及提高游泳效率。
通過展示彈性如何隨著身體產(chǎn)生的力而變化,該團(tuán)隊(duì)搭建的模型也提供了一些見解。研究人員展示了鰻魚和鯖魚如何在身體的不同部位以及每一個(gè)波動(dòng)周期的不同時(shí)間都保持彈性。他們表示:“這一觀察結(jié)果與先前的研究結(jié)果一致,即適當(dāng)?shù)膹椥钥梢怨?jié)省和恢復(fù)能量,從而提高效率。”
該發(fā)現(xiàn)提出了新的問題:這種能量轉(zhuǎn)移是如何通過魚的身體產(chǎn)生的?鯖魚型魚類的一項(xiàng)解剖學(xué)特征表現(xiàn)為,它們的肌腱沿著身體向尾部伸展。如果正如泰勒的理論所言,每個(gè)椎骨都作為一個(gè)獨(dú)立單位,那么這種肌腱就沒有必要了。
但是在該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新模型中,這正是重中之重。他們表示:“我們會(huì)預(yù)先假設(shè)這些長(zhǎng)肌腱用于傳遞能量。”
這項(xiàng)工作十分有趣,不僅在于它詳細(xì)剖析了自然界中最常見的推進(jìn)形式之一。事實(shí)證明,魚類推進(jìn)問題要比預(yù)想復(fù)雜得多,并且人類難以復(fù)制。
但是,對(duì)于希望使用人工設(shè)備重現(xiàn)魚類推進(jìn)力的生物工程師,該團(tuán)隊(duì)的研究工作為其提供了一條道路。有朝一日,這項(xiàng)工作可能會(huì)幫助提升潛艇速度。人類還有許多事情需要趕超呢!