我们能水上飘吗:给水“勾芡”试试看(组图)

2015年01月08日09:02   新浪科技 微博    收藏本文     

  本文选自《科学世界》杂志2015年第1期,经杂志社授权转载。

  在武侠片中,经常会出现在水面上奔跑的大侠,这是传说中的轻功。15世纪的发明家达芬奇为我们留下了水上行走工具的素描图,似乎从古代开始,人们就对水面行走抱有很大的兴趣。在生物界,有一些生物可以在水面行走,甚至能够在水面上奔跑。这些生物是如何实现水面行走的呢?有没有一种方法使人类也能够在水面奔跑呢?

  翻译/孙翠翠

  在美洲中部的森林里生活着一种叫皇冠鬣蜥(Basiliscus sp。)的蜥蜴。这种蜥蜴体重大约为2500克,但却能够在水面上迅速奔跑,的确非常罕见。据了解,能在水面奔跑的蜥蜴还有其他几种,但一出生就能做到的只有皇冠鬣蜥。

  皇冠鬣蜥一般生活在水边,擅长游泳或长时间潜于水底,而展示其惊人的水面奔跑功夫,是在它逃避鳄鱼或蛇等捕食者的时候。体重几十克的皇冠鬣蜥,可以用后脚以每秒约1.5米、20步的速度前进。由于圣经里有关于基督教徒在水面行走的记录,于是,在中美洲,人们将这种能在水面行走的皇冠鬣蜥亲切地称之为“Jesus Christ Lizards(基督蜥蜴)”。

  下沉之前迈出下一步,靠力量奔跑的蜥蜴

  简单来说,皇冠鬣蜥的奔跑方法就是在身体下沉之前脚向前再迈一步。

  虽说如此,水毕竟是流体,一般情况下,动物想要在水面行走或奔跑,会因水面无法支撑体重而下沉。所以说,要实现水面行走,关键是怎样获得支撑身体的力。那么,皇冠鬣蜥在水面奔跑的时候,水面上到底发生了什么呢?

  仔细研究皇冠鬣蜥的水面奔跑方法后发现,它使用后脚:1拍击水面,2 将脚向下放至水中,3向后划水,4 抬脚往前落,快速重复这四个步骤(右下方图片)。在皇冠鬣蜥这样奔跑的过程中,有三种力作用于它的身体。

  皇冠鬣蜥水面奔跑时产生的三种力

  首先发挥作用的是脚从上方拍击水面的瞬间产生的“冲击力”。这种向上的力支撑着身体,在被拍击的水加速结束之前的一瞬间发挥作用。拍击的力量越大,水的加速度越大,而且,脚的面积越大,搅动的水越多。

  比冲击力稍晚一会儿产生的力叫做“浮力”。高速旋转拍打的脚将水推开,水面以下会出现一个蜥蜴身体长度的柱状漩涡,像是将脚包围住(实验图像不太清晰)。由于这个气柱的存在,浮力产生了。就像是按下水面的洗脸盆底,洗脸盆会感受到一种向上顶压的力,这种浮力的道理是一样的。但是,这个凹陷会立刻恢复,浮力也就随之消失。

图为水面奔跑的绿双冠蜥(Basiliscus plumifrons////),拍摄于哥斯达黎加。这种蜥蜴身长可以生长至60厘米以上,包含长尾巴在内。就是这位高手拥有高速旋转拍水的惊人脚功。  图为水面奔跑的绿双冠蜥(Basiliscus plumifrons////),拍摄于哥斯达黎加。这种蜥蜴身长可以生长至60厘米以上,包含长尾巴在内。就是这位高手拥有高速旋转拍水的惊人脚功。

  绿双冠蜥的奔跑方法

以上为高速摄像机拍摄的绿双冠蜥(20.8克)水面奔跑图(奔跑速度为每秒1.4米)。左脚的形状用黄线表示。背景方格间隔为2厘米。为了看清移动的距离,我们在相同的位置用深蓝色圆点标记。图下方的粗箭头表示左脚的移动,数字表示脚每旋转拍打一次的时间内脚的不同动作所占的时间比(实验中体重在2.8~78克范围内的11只绿双冠蜥的平均值)。右脚的移动要慢半周(S.Tonia Hsieh, The journal of Experimental Biology,206,p4363-4377,2003)。  以上为高速摄像机拍摄的绿双冠蜥(20.8克)水面奔跑图(奔跑速度为每秒1.4米)。左脚的形状用黄线表示。背景方格间隔为2厘米。为了看清移动的距离,我们在相同的位置用深蓝色圆点标记。图下方的粗箭头表示左脚的移动,数字表示脚每旋转拍打一次的时间内脚的不同动作所占的时间比(实验中体重在2.8~78克范围内的11只绿双冠蜥的平均值)。右脚的移动要慢半周(S.Tonia Hsieh, The journal of Experimental Biology,206,p4363-4377,2003)。

  紧随浮力之后产生的力叫做流体动力,即划水时的抵抗力,与划水速度的平方成正比。该力主要产生于脚往下往后划的过程中,成为身体向上方的支撑力和向前的推动力。在上方发挥作用的支撑力加上之前的浮力,正好超过支撑体重所需要的力。

  最后,皇冠鬣蜥之所以不会沉水,是因为脚在后面不断划水,在迈出下一步之前身体要下沉的一瞬间,被脚拍击水面瞬间产生的冲击力浮力及向上的流体动力支撑住。最重要的是,这种拍击水面的巨大力量能够快速并连续地产生。

  另外,皇冠鬣蜥的脚掌和脚趾很长,脚趾中间有蹼。这些蹼在脚拍击水面时会伸展开,而当脚离开水面时又会合拢。这样,就会放大脚下压水面时的流体动力,减少离开水面时的阻力。同时,为了更强烈地拍击水面,皇冠鬣蜥会使身体扭曲,让脚大幅度扭转。

  水面小型昆虫使用表面张力

  说到能在水面行走的生物,许多人会想到水黾吧。我们刚才分析发现,皇冠鬣蜥依靠惊异的身体能力实现了水上行走,但在小型昆虫中,这种水面行走的现象并不罕见。水黾等小型昆虫在水面滑行利用的是在水面上产生的一种用显微镜才能分辨的微观力,即“表面张力”。

  表面张力可以让液面自动收缩。在这种表面张力的作用下,对于可以用腿疏水划行的昆虫来说,水面就蹦床一样(见下页图1)。如果用接触水面的腿划水前行,表面张力不仅会把身体支撑在水面上的,而且会根据昆虫的大小,助其跳跃。同时,如果昆虫的身体沉在水里,那表面张力就帮助其将身体按压在水面。(见下页图2,实际的昆虫例子我们之后讲述)。

  另外,水黾的腿上有很多刚毛,而且每根刚毛上都有很多精细的凹槽结构。由于这种凹凸的表面会吸附许多空气(形成气垫),从而让水黾可以在水上自由穿梭滑行。根据表面的素材种类不同,疏水性会有所差异,而一些表面构造可以提高疏水性。例如,在包括荷叶等植物在内的许多生物身上,我们都能看到这种构造。

  靠划水或排放分泌物前进

  依靠表面张力浮动于水面的小型昆虫,具有水面移动的各种技能。

  水黾可以在水上轻捷地前行,有6条用来划水的腿,它先使用正中间的腿,像船桨一样划水(右图a)。此时,腿后方会形成漩涡,在这个漩涡的作用下推动身体向前(右图b)。据悉,鸟和鱼也会有效地利用这种漩涡获得推动力。

  此外,像宽蝽(右图c)或隐翅虫等,这类昆虫通过脚尖排放油脂前进。研究发现,与普通用脚前行相比,宽蝽的速度能够达到2倍(最快每秒17厘米)。这是因为,油脂具有降低水面张力的作用。前后水面产生了表面张力差,从而促使水流动,推动身体前行。

  有一种游戏使用的也是这个原理。用结实的纸剪一个船型,在船尾放一块与水接触的肥皂。因为肥皂会降低水面的张力,肥皂浮于水面,随着它的溶化,船会不断前进,这就是所谓的肥皂船

  如何爬水坡?

  仔细观察物体所接触的水面后发现,由于表面张力,水面形成了一个。 对于许多体长只有几毫米的水上步行昆虫来说,这可是个难以攀登的

  靠表面张力漂浮

  在液面上,有一种可以收缩表面积的力——“表面张力。这种力沿着液面的方向(切线方向)发挥作用,所以就会按照图中红色箭头的方向作用于液面上漂浮的物体。

  然而,像尺蝽之类的昆虫,它们可以用沉入水中的脚尖趾甲抓水,来攀爬“水坡”(图片d)。

  除此之外,还有一种动物腿部不动就能在水面上行进。取食睡莲叶的榆黄叶甲,其幼虫喜欢沉于水中,所以不擅长用腿进行水面行走。但是,如果反弓后背,即使腿部不动也能够滑行到睡莲叶附近(图片e)。

  你知道吗?睡莲的叶子所接触的水面是向上弯曲的。这种叶子也易溶于水。此时,叶子与弓背的幼虫之间的水面就会变成U字形。于是,表面张力就会像相互拉拽一样作用于这个U字形的水面,而幼虫就被拉向莲叶的方向。

  另外,榆黄叶甲以及之前介绍的宽蝽,虽然体重有所不同,但他们都会使用各自的方法实现水坡攀登。

  人能否在水面上奔跑?

  以上我们分两大类叙述了在水面上行走的方法。皇冠鬣蜥凭借其惊人的脚上功夫,而小型昆虫则依靠微小的表面张力实现了水上行走。那人怎样才能够在水上奔跑呢?我们来看看利用水面生物支撑身体的方法是否可行。

  日本东京大学的名誉教授东昭致力于各种生物的运动研究,他认为,水陆空生物支撑身体的方法,大致可以分为三类。

  第一是利用浮力支撑整个身体。这种方法不受身体大小的局限,只要身体密度小于水的密度,就可以在水面漂浮。

  由于生物的比重与水大致相同,浮于水面是可以实现的。在生物界,利用浮力浮出水面的最大动物是鲸鱼。但是,因为这个比重勉强位于漂浮与沉没之间,身体是位于水下的,所以,要实现在水面奔跑的目标,不能利用浮力。

  第二是用部分面积支撑身体的方法。采用这种方法的生物,比如用翅膀推开空气飞翔的鸟,用鱼鳍按压水面前进的鱼。此外,用脚底在水面行走的皇冠鬣蜥也属于这种类型。

  如果用部分面积来支撑身体,那单位面积所需要的支撑力会随着体重的变大而增加。研究发现,即使是皇冠鬣蜥,一旦体重超过200克,水面行走就会变得非常困难。这样一来,对于体重比皇冠鬣蜥大,而且与身体相比脚底又太小的人来说,像皇冠鬣蜥一样在水面奔跑是不可能的。

  使用粉就能实现水面奔跑!

图为在撒有大量淀粉的游泳池水面上奔跑。(出自NHK“大科学实验 水上竞技会”)图为在撒有大量淀粉的游泳池水面上奔跑。(出自NHK“大科学实验 水上竞技会”)

  哪种粉可以实现水面上奔跑?

  在粒子细微程度类似的4种粉内加入水,用力搅拌使其变形。掺有猪牙花淀粉和玉米淀粉的液体,如果加快变形的速度,其黏度(硬度)也会急剧增加。而如果掺合的是面粉和优质糯米粉,随着变形速度的加快,它们的松软度会不断提高。这是因为,前两种粉不溶于水,细微的粒子会保持原状,而后两种粉溶于水后会立刻结团。图表中地幔、冰和水的黏度值可供参考(假定冰和地幔的黏度不会根据变形速度而变化)。

  粉的粒子“堵塞会变硬?

  关于粉的高浓度液体在快速变形时会变硬的原因,有一种说法认为,高速变形时,液体中粒子的部署被打乱,其中一部分粒子变得非常拥挤,无法动弹。

  最后是表面张力法。水的表面张力大概每米能支撑7克的重量(约70毫牛/米)。要想支撑体重为70千克的人,人的脚底周围需要有10000米水。即使人穿了超级防水鞋,也不可能实现水面奔跑。

  穿着大鞋子学皇冠鬣蜥奔跑?

  那如何才能实现人在水面奔跑呢?穿双大鞋子会怎样呢?也就是说,让“脚底”增大至与体重相称的面积。

  根据东教授的估算,从原理上来说,人若穿上大的木板鞋子,是可以实现水面行走的(假设使用半径约30厘米的圆板,脚离开水面时圆板可以收缩)。

  在水中撒粉就能实现水面奔跑!

  人在掺入淀粉的水上奔跑,你有没有在电视上看过这个实验呢?在实验中,如果人不断奔跑或者匀速移动脚步就不会下沉,而一旦停下就会立刻沉下去。

  这种现象一般被称为物质的“膨胀性。将淀粉混合在水中,搅拌变形的速度越快,就会越硬(黏度增加),像固体一样。同样,即使掺入的不是淀粉,而是粒子很细(大小为数十微米)、不溶于水的物质,也会发生同样的现象。但这种变化需要高浓度,至少水与粒子的体积比达到同一水平以上,且需要不断搅拌。

  为何搅拌之后液体会迅速变硬呢?研究软物质物理的日本京都大学副教授增渕熊一指出,其中有一种说法认为,液体高速变形后,其粒子部署被打乱,其中一部分变得堵塞,无法动弹(右上方图片)。

  最近,相关专家做了一个实验,把木棒比作人腿,让其在掺有淀粉的液体上奔跑,再现人在水面行走的条件。结果发现,在木棒下面,粉堵塞形成几厘米又长又硬的柱子。其周围粉的浓度也很高,这些密集的粉团形成一股强大的力量防止木棒下沉(Waitukaitis & Jaeger,nature,2012)。

  粉的这种不可思议的特性,自己动手也可以实验。一定要尝试一下!

文章关键词: 水上漂昆虫表面张力

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