鱼为什么游得那么快 科学家用模拟技术揭晓答案

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鱼类是如何产生推力的?有两种解释性理论,这两个理论孰是孰非物理学家已经争论了 50 年。如今, 计算机 模拟技术给出了答案。 在游泳方面,鱼类毫

鱼类是如何产生推力的?有两种解释性理论,这两个理论孰是孰非物理学家已经争论了 50 年。如今,计算机模拟技术给出了答案。

在游泳方面,鱼类毫不费力地做到兼具优雅与力量于一身,而这也正是人类梦寐以求的地方。鱼类最快的游速能达到每小时 70 英里,而人类甚至难以达到每小时 4 英里,即便是最快的潜艇也只能达到每小时 50 英里。

鱼类究竟是如何拥有如此能力仍然是个谜。物理学家、生物学家和工程师长期以来对特征性波动和它产生的水动力百思不得其解。实际上,专家们提出两种水动力推进理论来进行解释,尽管这些理论可以追溯到 20 世纪 50 年代和 60 年代。但一直无人知晓哪一种是正确的。

北京计算科学研究中心(Beijing Computational Science Research Center)的明廷玉(TIngyu Ming)和同事在超级计算机上模拟了鱼类的推进动作,并借助真实鱼类运动的详细测量数据来校准结果。他们的模型首次解释了鱼类如何产生推力,甚至包括为什么某些解剖结构(如肌腱)如此重要。

首先我们需要了解一些背景。在特征性波动游泳运动中,鱼类的肌肉沿着身体顺序收缩,产生身体弯曲的后向运动波。这会同水体产生摩擦并产生推力。

但这种推力究竟如何产生依旧是个谜团。1952 年,英国物理学家杰弗里泰勒(Geoffrey Taylor)考虑了鱼类身体的各个部分与水之间的相互作用。他认为,鱼类身体的各个部分均产生阻力(一种阻挡运动的力)。当其身体摆动时,垂直方向的阻力会大于水平方向的阻力。由此才会产生水平方向或向前的推动力。这种观点被称为阻力理论。

但是在 1960 年,英国数学家詹姆斯·莱特希尔(James Lighthill)提出了不同观点,他认为推力的主导因素是水的惯性。由此扁平的鱼类才得以通过小振幅波动来产生推力。这被称为细长体理论。

这两种理论的关键区别在于产生的力归于不同类型。泰勒认为,推力产生于阻力,虽然其作用方向与物体运动方向相反,但与速度保持一致。莱特希尔认为,推力产生于反作用力,其作用方向与作用力相反,并与加速度保持一致。

这一差异看似微妙,但对于理解鱼类如何游动以及进行人工复制十分关键。

为了弄清真相,该团队创建了两种鱼类的 3D 计算流体动力学模型:一种是鳗状的鱼类,如鳗鱼;一种是鲹行式鱼类,如鲭鱼。两种鱼类的主要的区别在于,鳗状鱼类游动时摆动整个身体,而鲹行式鱼类只有身体的后半部分弯曲较为明显。

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