小鸭子游泳时为什么要排队？
2022/10/11 17:00:29 中国科普博览

    

    

     (图源：Zhi-Ming Yuan)

     “门前大桥下，游过一群鸭，快来快来数一数，二四六七八……”池塘中游泳的鸭群，鸭妈妈总是游在队伍最前面，小鸭子们则在鸭妈妈身后依次排开，形成纵队跟随游动。不管鸭妈妈的游动速度有多快，队伍中哪怕破壳不到1天的小鸭子也不会掉队。不光是鸭群，其他水禽在开阔水域游泳也会表现出类似行为。

     江苏科技大学和斯特拉斯克莱德大学的研究人员使用简化的数值模型，发现小鸭子跟在鸭妈妈身后游泳时，会本能地处在鸭妈妈身后的“最佳点”。在这些“最佳点”，鸭妈妈游泳产生的波浪会推着最前面的2只小鸭子主动前进，小鸭子可以毫不费力地跟上鸭妈妈。

     该研究获得第32届搞笑诺贝尔奖(Ig Nobel prizes)物理学奖，相关研究发表在流体力学顶级期刊《Journals of Fluid Mechanics》，论文题目为：Wave-riding and wave-passing by ducklings information swimming(小鸭子在水中乘风破浪)。

     Part.1

     “乘波”现象

     在开阔水域，通常可以观察到小鸭子排成纵队跟随鸭妈妈，不管领头的鸭妈妈速度多快，后面的小鸭子也不会掉队。它们为什么以这样的队形游泳呢？什么是最佳的游泳队形呢？游泳编队中的每个成员能减小多少体能呢？

    

    小鸭排成一排跟随鸭妈妈(图源：Zhi-Ming Yuan)

     通过使用数学和数值模型，研究人员发现，纵向排成一排有助于小鸭从“乘波”和“过波”这两种现象中受益。研究人员展示了1只小鸭在不同条件下的简化二维力学模型，蓝色箭头方向表示静水压力方向。当小鸭子游泳时，身体与水摩擦会形成波浪阻力，任何对水的阻力都会减慢小鸭子的游泳速度。小鸭子在平静的水中游泳时，小鸭子腹部受到向上的“静水压力”，此时游泳受到的阻力全部来自于波浪阻力。如下图：

     (图源：Zhi-Ming Yuan)

     当小鸭子的胸部在波峰上、腹部在波谷上时，流体静力(箭头)对小鸭的运动产生不利影响，比在平静的水中游泳时消耗更多体力。如下图：

    (图源：Zhi-Ming Yuan)当小鸭子的腹部在波峰上、胸部在波谷上时，流体静力(箭头)对小鸭的运动产生积极影响，小鸭子会被波浪推着向前，在这个“最佳点”位置游泳时所消耗的体能比在平静的水中少，就像冲浪一样。如下图：

    

    (图源：Zhi-Ming Yuan)鸭妈妈游泳时身后会产生一系列波浪，小鸭子在鸭妈妈身后的正确距离且在上图位置时，作用在小鸭子身上的波浪力(称为波浪阻力)转为正值并将小鸭子向前推进，这就是称为“乘波”现象。研究发现，这是“双赢”的游泳队形。排在鸭妈妈身后的第1只小鸭子在“最佳点”游泳时比单独游泳时减小158%的波浪阻力(100%用来克服它自身的波浪阻力，其余的58%则成为推力驱动小鸭子前进)。与此同时，鸭妈妈也会受益，被身后第1只小鸭子游动时产生的弓波所推动，从而减小5%的波浪阻力。此外，当小鸭子在鸭妈妈正后方时，因为遇到的波浪是对称的，没有侧向力和偏航力矩作用在小鸭子身上，因此不会游着游着就偏向，自然就形成了整齐的“纵队”。

     Part.2

     “过波”现象更有趣的是，“乘波”的好处可以传给队列中的其他小鸭子，只要其他小鸭子与前面的小鸭保持合适的距离，并且它们都在“最佳点”，就都会收获类似的“乘波”。前2只小鸭获益最多：第1只小鸭子的波浪阻力减小158%，第2只小鸭子的波浪阻力减小132%。这意味着前2只小鸭子所处位置的波浪会额外给小鸭子推力，小鸭子就好像乘坐在波浪上，只需花费较小的力气就能跟上鸭妈妈。第3只及后面的小鸭实现了波浪减阻的稳定状态，波浪阻力的减少维持在大约100%，达到了微妙的动态平衡。在平衡状态下，第3只后面的小鸭子充当“传波器”(这些小鸭子的作用是维持波浪)，前面的小鸭子将波浪的能量完整传递给下一个小鸭子，研究人员把这种微妙的平衡态称为“过波”现象。这意味着第3只及后面的小鸭子所处位置的波浪不会给小鸭子提供额外的推力或阻力，小鸭子花费的力气全部用来充当推力。

    最佳的游泳队形：a)M+6D波型，M代表头鸭，Dn代表编队中的第n只小鸭；b)每只小鸭受到波浪的减阻系数(蓝色虚线和长方形)，红色实心曲线是头鸭正后方的波浪轮廓，d表示相邻小鸭之间的距离(图源：Zhi-Ming Yuan)需要注意的是，从鸭妈妈的角度观察，鸭妈妈游动时产生的波浪不会变，只要所有小鸭子都处在“最佳点”位置，小鸭子就能持续从波浪中获得好处。在鸭群排成纵队游泳时，前进速度必须等于波浪的群速度。只要小鸭子与鸭妈妈保持相同的速度，就可以很容易满足这种“乘波”和“过波”条件，并维持最少的能量消耗。综上，小鸭子利用“乘波”和“过波”原理减少波浪阻力，该原理也能应用于船舶货运领域，可以实现运输更多的货物而无需消耗额外的燃料。

     参考文献：

     https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/waveriding-and-wavepassing-by-ducklings-in-formation-swimming/94759A0FF7070D9D7CAC5907594B1781https://wonderwhyca.wordpress.com/2021/12/12/this-is-why-ducklings-form-single-file-flotillas-behind-mumma/

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