鴨子為何排成一行?為了遊得更順暢——《華爾街日報》
Helen Czerski
物理學家海倫·切爾斯基揭示日常現象背後的複雜科學。閲讀更多專欄請點擊此處。
插圖:托馬斯·瓦倫塔初夏的泰晤士河美不勝收,倫敦市中心上游河段棲息着眾多鳥類:凝神捕魚的蒼鷺靜立水中,忙碌的沼澤母雞在水草間穿梭覓食,天鵝羣優雅地梳理羽毛。當我們的獨木舟俱樂部沿河划行時,總在尋找最受歡迎的景緻——身後跟着毛茸茸小鴨羣的鴨媽媽。
鴨羣在岸邊徘徊時看似雜亂無章,小鴨子們或閒逛或探索,鴨媽媽則時刻看護。但當它們啓程時,混亂瞬間轉為秩序——小鴨子們會在成年鴨身後列隊,整個隊伍以完美隊形快速遊動。這令人着迷的景象絕非偶然,而是節省能量的智慧。
水中行進實屬不易,因水體密度大且具粘滯性。水面移動的主要阻力來自運動物體後方產生的波浪——即我們常見的船隻、獨木舟和鴨子身後楔形波紋,這些波浪都攜帶能量。水面移動會持續生成波浪,游泳者必須耗費能量製造它們,這種能量消耗就表現為運動阻力。此外,附着在船體或鴨體表面的水層也會被帶動,形成額外阻力。
母鴨足夠強壯,能夠消耗克服阻力所需的能量,在遊動時形成尾流:一種隨她移動的波峯與波谷模式。但一旦這種水流模式形成,小鴨子們就能選擇在其中游動的位置。尾流由兩部分組成。一部分是楔形輪廓,這是最易觀察到的部分;而內部還存在與母鴨前進方向垂直的波浪線,從楔形一側延伸至另一側。第一隻小鴨子會精確固定在這個波型中心線的特定位置:乘着第一道波浪的前坡向下滑行。研究發現,處於這個位置的小鴨子幾乎不會受到波浪阻力,反而能在滑下波浪時獲得向前的推力。只要它始終保持與母親相對位置的精準同步,遊動就變得輕鬆。但後面的小鴨子們呢?
仔細觀察一列小鴨子,你會發現它們的間距極其精確。每隻小鴨子都位於前一隻後方一個波長處。這意味着每隻小鴨子都能通過滑行在下一道波浪前坡獲得助力。領頭的小鴨子獲得最大輔助,但這種助力會沿隊列傳遞,使得即便末尾的小鴨子也幾乎不會因製造波浪而產生阻力。這極大降低了小鴨子們的遊動難度,使它們能與成年鴨保持同速。母鴨尾流的節能效應是物理規律的偶然呈現,但小鴨子們將其利用到了極致。
下次我們劃獨木舟時,我不會僅僅因為小鴨子們可愛、毛茸茸且對世界充滿快樂的好奇心而關注它們。我會留意母鴨帶着小鴨子們遊動的場景,因為這是一個展示硬核物理學如何幫助最弱小、最毫無戒備的小鴨子的美好例子。
出現在2022年6月4日的印刷版中,標題為《為什麼鴨子要排成一列?為了遊得更順暢》。