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流体中生物的推进方式

   其实,生物物理学家们的研究方式与工程科学家们并没有太大的差异。例如,为了研究鱼类游动制造的流场,他们会抓条鱼放在回流水槽内,用粒子影像测速法 (Particle Image Velocimetry, PIV) 量其流场,并分析流场结构、测量阻力大小等等 (Drucker & Lauder, 1999)。若是把鱼换成船只、潜舰、鱼雷等,就是如假包换的造船工程研究了。

    近年来许多生物力学方面的研究已渐渐让我们能了解各种生物的不同运动方式。从一个较为统合的观点来看,生物物理学家们发现,不论是陆上的、空中的还是水里的动物在运动方面有几样共同的特色 (Dickinson et al., 2000):
    1. 动物在其运动过程中所施于外界的力,经常使机械能可以被循环利用;也就是说能量先在循环中的一段以某种方式储存起来,再于下一段被利用出来,因而增加了机械效率。后面我们会看到一个鱼的例子。
    2. 生物的推进方式常出现不是作用在前进方向的侧向力,乍看之下颇没效率,但对于增加运动的稳定性或操纵性却大有贡献。
    3. 动物的运动性能与习性往往反应出牠们应付生态环境限制所必须作的权衡 (trade-off)。
    4. 动物控制运动的系统是非常复杂的非线性藕合系统,包含神经与机械的前馈与回馈机制。而肌肉通常不只是作为发动机,还具有煞车、弹簧与支柱的功能,完全视运动状态而定。

    因此,在推进方式方面,我们发现生物依照其生活环境、体型及功能之不同,有下面几种常见的运用流体动力特性的推进方式:喷水法、振翅法及摆尾法。

一、喷水法
    乌贼、鱿鱼、水母、扇贝类等以其身体躯干的特殊构造,将水向后喷出,利用动量守恒原理向前推进,如图一所示。由于牠们喷水的方式是以身体某部位挤压水的方式进行,须待身体形状复原方可再喷一次,因此喷出的水柱必然是间歇式,而非类似喷水推进船可以持续推进。通常,牠们游得不快,但是,若遇到紧急状况需要逃命时,牠们可以制造出高速水柱而安然脱身。

二、振翅法
    振翅法多见于鸟类与昆虫,其翅膀的运动同时提供了升力与推力,因此远比人类的固定翼飞机复杂。而从这角度看来,反而较像直升机的叶片。但是,这些动物,特别是昆虫的翅膀动作非常复杂,并非单纯地上下振动,而是翅膀各部分在不同时刻有不同的动作方式,因为牠们的翅膀是可以扭曲的。也因此,牠们可以达到高效率,或是能做许多航空工程师梦寐以求的高度运动操控性能,例如滞空、瞬间起飞、瞬间侧向平移等。
    研究昆虫的翅膀动作及其运动方式近年来非常热门 (Fitzgerald, 2000),不仅仅是因为解开昆虫运动高度操纵性的奥秘有助于航天工程师发明更灵活的飞机,或有助于五角大厦发明更有效的杀人武器;解开这类大自然的奥秘本身也是象征人类智慧的挑战,让科学家深觉犹如希腊神话中上天庭盗火的Prometheus,而令许多生物物理学家颇为沉迷。

三、摆尾法
    一般我们所见的鱼类或鲸豚类游泳方式都是以摆尾为主要推进方式,并辅以其它的鳍作为辅助推力来源及操控方向用。不论是鳍或尾,造成力量的方法都是以制造涡流而得。生物力学家将鱼类摆尾的方式依身体摆动范围分为三大类,而其命名方式是以各自的典型鱼类学名来称呼的:
    1. 鳗行式 (anguilliform):如鳗鱼、水蛇等,其行进单位距离所需推力成本最少。
    2. 鳟行式 (carangiform):如鳟鱼、鲈鱼、鲱鱼等,是最常见的方式,在速度、加速度和操控性有最好的平衡。
    3. 鲔行式 (thunniform):如鲔鱼、鲭鱼、马林鱼等,常有高展弦比的尾鳍,在快速运动中最有效率。另外,鲸豚类也应属于此类,但牠们是哺乳类,因此尾鳍是水平而非垂直的。

    生物物理学家的研究发现非鳗行式鱼类不只是摆尾时会引起涡流,即使是前进时几乎不动的前半身也会造成一些涡流。这些身体造成的涡流与水中因为其它因素 (如河中的石头) 形成的涡流都包含可供摆尾时利用的动能。




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