./t20180124_692656_taonews.html
专题
首页  >  专题  >  媒体视点  >  名刊精选  >  《科学之友》

《科学之友》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

弘扬科学精神,普及科学知识,倡导大众理解科学。

文章数
分享到:

动物也懂物理学

2018-01-24 17:44:00

  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引力在作祟。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来实践。当我们掌握了一些物理知识后,就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,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?

  学过物理学的人都知道,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。不过是在液体外表面,而不是位于液体内,需要运用不同的计算规则。

  不论落叶还是水黾,当它落到液体的表面时,决定其所受浮力大小的因素,主要有两个: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一平方厘米,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的原因。

  长得太“胖”,也能飞得高,跳得远

  在20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,而翅膀又太小,不足以产生超过大黄蜂身体重量的推力。事实上,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。

  比起其他昆虫,为了产生升力,大黄蜂扇动翅膀的频率会更高,每秒达150次。除此之外,大黄蜂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“q”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膀的前缘产生一个被称为前缘涡的空气漩涡。这个涡的存在,可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。

  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,在与敌人打斗时,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。

  蜘蛛之所以能飞檐走壁,奥秘就藏在它的脚底下。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,蜘蛛的网具有黏性,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捉的。

  隐形海马

  侏儒海马只有2.5厘米长,被称为“ 世界上最慢的鱼” ,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3天时间才到达终点,但是从物理学角度分析,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。

  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将其叼上来。问题是,狗狗皮毛很厚,被打湿后,身体会很笨重,一只27千克的湿狗皮毛中会含有0.4千克重的水,狗狗将耗费身体热量的20%来去除水分。那么,狗狗该怎么样保持自己的干爽呢?

  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,扩散到身体其他部位,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,力道有如挥动鞭子。

上一篇:沙漠中的“勇士”
下一篇:科学问答
©2011-2020 版权所有:中国数字科技馆
未经书面许可任何人不得复制或镜像
京ICP备11000850号 京公网安备110105007388号
信息网络传播视听节目许可证0111611号
国家科技基础条件平台