hl1bwcdm / 文件夹1 / 水母“甜甜圈”的神奇效应

分享

   

水母“甜甜圈”的神奇效应

2021-11-30  hl1bwcdm

水母被称为“世界上最高效的游泳者”之一,轻轻一摆动,就能游出好几米,而且它一刻不停地在水中游动着,一天下来移动的总距离高达好几千米。为什么水母能维持这么长时间长距离的运动呢?

水母“赛车”的奥秘

说起水母,大家脑中就浮现这样一个形象:大大的脑袋、细细的“手脚”,一个蘑菇形状的气球在浩瀚的大海中“柔弱无力”地随波逐流。这样一种生物怎么可能是游泳高手呢?其实,之所以说水母的游动很高效,并不是因为它游得有多快,而是因为它一天游动数千米,而且它游动这么长距离却仅仅消耗了极少的能量,比鲨鱼、海豚等水下“运动健将”消耗的氧气和食物都少得多。水母有什么游泳秘诀呢?

图片

水母的游泳秘诀在科学家的高速摄影机镜头下一览无遗。水母被养在玻璃水箱中,高速摄影机记录下了它游动时的每一个细节。当水母收缩它的钟状体(头部像伞一样的圆盘形结构)时,水流被吸近它的身体,周边形成了一个低压区,流体具有从高压区向低压区运动的特性,于是水母就被逆推向前。这还没完,前进后的水母随之放松钟状体,后方的高压水流就会涌向水母,这给水母提供了第二波前进的动力,让水母一次收缩就能向前游出一大段距离。而且,由于水母的弹性的身体构造,放松钟状体时几乎不消耗任何能量,于是它就能以非常省力的方式向前游动。

如果对这种速度还不满足,水母还有一个绝招——制造“甜甜圈”。水母会在不同的位置快速收缩以产生两个旋转方向相反的水下涡流环,它们相互碰撞挤压,产生一股新的冲力推动水母前进。在这股力的作用下,水母的游泳速度增加了41%,每个收缩舒张周期的累积移动距离增加了61%。科学家观察到,在水母的钟状体边缘长着一圈圈环状的肌肉组织,这是水母轻松搅动水流的秘密武器。

“水母”飞离海面

如果水母在水面上制造“甜甜圈”,也许它能在海面上“飞”起来,事实上,这样的“甜甜圈”正是飞机飞离地面的一大动力。飞机起飞前,飞机与地面之间有一团被强烈挤压的空气,这团空气给飞机提供了反向的升力,飞机得以起飞。而水母的两个反向“甜甜圈”互相碰撞,形成了像机翼与地面相互作用那样的涡流环,水母处在两个涡流环的中心处,接收到了向前和向上的推力。

冷战期间,苏联向世人展示了一种奇特的交通工具,它长得宛若空中疾驰的飞机,却又紧贴海面,就像一只海上航行的船舶,航行一段时间,倏忽一下它就飞上了天。这到底是飞机还是船?船并不会飞,而我们常见的飞机都是从陆地上起飞的,在软软的海面上飞机是怎么起飞的呢?

图片

这种交通工具的学名叫做地效飞行器,它虽然很少见,但人们研究它的历史是很长久的,从1897年法国人最早进行地效飞行器试验至今,人类对地效飞行器的理论研究和实践试验已有了上百年的历史,其所运用的原理正与水母的“甜甜圈”相同。这个原理被称为地面效应,说的是运动物体贴近地面运行时,地面对物体产生的空气动力干扰,简单地说,就是当运动的物体靠近静止的地面时,它并不会直接坠到地上,物体搅动空气,地面与物体之间的空气会对物体产生一个反向作用力,因此物体会在近地面飘荡一段时间。一个简单的小实验就可以让我们看到地面效应的存在:将一张纸巾从高空抛下来,它接近地面时会在上方飘荡一段时间而不是直接坠落。

运用地面效应,飞机就可以在软软的海面上起飞。当飞行器贴近地面或水面飞行时,飞行器加速,机翼上方的气流速度更快,压力降低,下面的气流减速,压力升高。作用在机翼上的压力差明显增大,使升力陡然增大,于是飞机就被“托”了起来。

地效飞行器与普通飞机相比,有很多优势,它不受空中管制的限制,出航方便,又可在水面随处起飞和降落,使用起来机动性好,且能到达一般船舶和飞机难以到达的岛屿和水域,在货运、搜救和侦查等方面都有广阔的用途。不过,地效飞行器的研制难度很大,在水面上航行和在空中转向降落时的稳定程度也有待提高,直到如今也没能像陆地飞机那样普遍。

在发现水母制造“甜甜圈”的能力后,研究地效飞行器的科学家也许可以向水母学习,如何运用“甜甜圈”让飞行器飞得更快更稳。

陆上的“水母”赛车

不管地效飞行器能否向水母取经,至少陆地上的赛车早就注意到了“甜甜圈”的威力,在它们的帮助下,现代赛车正往更快更稳的方向持续发展。

我们知道,赛车最重要的就是速度,那种风驰电掣的极致速度带来的震撼让观者无不为之惊叹,也让赛车手沉迷其中、欲罢不能。赛车公司曾想出许多方法提高赛车的速度,将车身制成纤细的流线型、尾翼变成鳍状、前鼻翼大幅抬高等,这都是为了减小空气阻力,加快赛车速度。可是工程师们很快就发现这些方法并不实用,这样制出来的赛车在转弯时很容易侧翻,减速时也容易翻车,对车手的生命安全造成了很大威胁。这道难题难住了赛车公司,该怎么在减小阻力的同时增加稳定程度呢?

地面效应的另一面帮助了他们。科学家发现,当改变机翼的高度和角度时,机翼附近气体的流速和压力会发生改变。如果机翼向下倾斜,即机翼后缘非常接近地面时,气体会被堵在机翼下方,导致机翼下方的压力提高,这直接提高了升力;反过来,将机翼向上倾斜,流经机翼下方的气体减少,上方的气体向下压,飞机的抓地力就会提高。如果将这种倒置的机翼装在赛车上,是不是一样能提高赛车的抓地力呢?

图片

1968年,赛车首次被装上了倒置的机翼(赛车中称为尾翼),被分流的空气对赛车产生了下压力,当赛车再进行转弯时,这个下压力对赛车产生的阻力与转弯产生的离心力相互抵消,大大减少了侧翻的发生。1970年,美国赛车公司雪佛兰更是将地面效应运用到极致,他们在汽车尾部装了两个涡扇,运行时不断将车底空气抽出,最大程度地增加了上方空气的压力。后来,虽然这种抽气法因为会对其他赛车造成干扰而被禁止了,但改变尾翼的高度和角度、改变汽车底盘的气体扩散装置正式成为了增加赛车抓地力且不影响赛车速度的必备方法,直到现在仍是各大赛车公司的研究重点。

看来,“甜甜圈”并不像我们想得那么简单,在不同的位置制造“甜甜圈”,它对流体的作用就会发生改变,从而产生不同的作用效果。想要将“甜甜圈”运用自如,我们还要多加研究。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>