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鱼类及鲸豚类的游泳技巧

  经过数百万年的自然演化,鱼类及鲸豚类的游泳技巧是远高明于人类现有的航海科技,而牠们利用流体力学于其自身流线形的本能,更是令造船工程学者赞叹不已。例如,海豚可轻易地以二十节的速度跟在船只之后。鱼类的极速虽然未曾被正式记录过,但一般相信黄鳍鲔鱼的速度可达四十节以上;梭子鱼更可以以二十倍于重力加速度的加速度起步来掠取猎物。同时,鱼类可迅速地以只有百分之十到三十身长的距离为转弯半径来变换行进方向。相对之下,一般航行船只通常则须以十倍船长的半径缓慢地回转。

一、海豚的奥秘
    1936年,英国生物学家James Gray 一篇有关海豚的专文引起广泛的注意。James Gray以海豚的身形作为水中阻力计算的模型。他用二十节的平均速度为基准,将计算的阻力乘以海豚每日游行的距离以求取所作的功。另一方面,他记录海豚每日摄取的食物含量,以推算海豚能运用的游泳能量。他得到了一个令人不可思议的结论:海豚所作的功是其食物热量的七倍!
    六十多年后的今天,Gray的矛盾结论仍必须被精确的科学方式证明其对错。如果鱼的游行有如想象中的有效率,它的主要推进器–尾鳍–必然也是一样地高效率。任何在流场里的物体,无论是一根长线,还是一只游行的旗鱼,都会造成一连串尾随的旋转涡流 (即著名的von Karmen vorticities)。长线只会留下随流而去的涡流,鱼却利用尾鳍的摆动,造成涡流来形成提供推进力量的喷流–向后高速喷出的水柱。一般相信,这些喷出的涡流水柱在推进上扮演关键的角色;而适当地运用这些喷流可以达到相当可观的效率。

二、尾鳍的戏法
    鱼类之所以能造成如此高效率的推进力量,是由于来自尾鳍整合背后涡流的方式。这些涡流的强度随着尾鳍的力量而增加,但是它们的旋转轴方向一直都是垂直于鱼前进的方向,也就使形成有效推力的喷流平行于鱼前进的方向。相较之下,一般船用螺旋桨形成的喷流是与螺旋桨转动方向一致的方向,也就是垂直于船前进的方向,而多半不能被有效利用。通常改进的方式是:使用非常大直径的螺旋桨并以较轻的负荷来转动。

    1.尾鳍先以摆动造成一个大涡流  2.迅速的顶端摆动造成一个相反方向的涡流  3.下摆之后的尾鳍使得两个涡流相遇  4.相并的两个涡流形成一柱强力的向后喷流,并相互减弱其涡流强度。

    鱼类这样强推力与高效率的组合并不是尾鳍运动的唯一优势。它提供了更有弹性的运用、更多的驾御能力和最具启发性的:吸收一般迹流 (wake) 中所含水流动能的可能性。鱼类的本能使牠们能精确而又有效地控制尾鳍,来吸取它们周围水流的动能,这包括一般物体造成的迹流、紊流 (turbulence)、甚至从它们自己身体前部形成的迹流。相同的道理也已经被运用在船舶设计上,让船的推进螺旋桨吸收一些船体本身迹流中的动能,依此原则设计的螺桨称为适迹螺桨 (wake adaptive propeller)。但是,造船工程师至今仍无法十分有效地掌握船艉迹流的特性,特别是绝无法掌握瞬时的迹流,仅能以平均迹流的特性来设计螺桨。然而,鱼和海中哺乳动物如海豚们显然深谙这类戏法,知道如何放置它们的身躯与摆动它们的尾鳍,远比造船工程师更为熟练这类技巧,常常可见它们游戏、跳跃,并跟着船游行数浬以上。

    在实验室里,美国麻省理工学院 (M.I.T.) 的研究群曾将摆动的机器尾鳍放在一圆柱体后。一个个由圆柱造成的涡流序列顺流而下,与摆动的机器尾鳍交互作用。若加以适当的操作,机器尾鳍可制造旋转方向与圆柱迹流中涡流方向相反的对等涡流。这两种涡流合并并相互减弱其强度。藉此,尾鳍重新吸收迹流中的动能,大大地增加本身的推进效率。 

    关于MIT的研究及鱼类的游泳技巧可参考他们的论文(Triantafyllou & Triantafyllou, 1995; Streitlien et al., 1996; Triantafyllou et al., 2000) 或网站:
http://web.mit.edu/towtank/www/tuna/robotuna.html
http://web.mit.edu/towtank/www/pike/index.html

    在许多研究影片中,科学家们发现鱼类常以尾鳍制造的涡流作用于其本身形体所产生的涡流上,以达到重新利用这些水流动能、提高推进效率的效果。而更常被报导而令人讶异的是,鲑鱼逆流而上回产卵地的例子:鲑鱼利用河流里石块后的涡流,来增加它们向上游的加速度。而它们令人惊讶的跳跃能力可能达到或甚至超过100%以上的效率。这似乎稍稍解释牠们何以能一再地跳跃,似乎永不疲惫,原来牠们用了许多外来的能量来帮助牠们游泳或跳跃,使得牠们的游泳或跳跃是如此有效率!

三、回到矛盾的海豚论
    有效地运用涡流是一项令人兴奋的新方法。其道理是以产生适当的涡流来改变身形周围的压力分布;而巧妙的运用可以大幅降低前进的阻力,进而提高航行的效率。读者现在可以清楚地指出James Gray 海豚专文的矛盾处:静止的海豚身形阻力出乎意料地不是较小的阻力;相反地,巧妙游动的海豚可以产生更少的动态阻力




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