如果一只动物在觅食时不小心从树顶上掉下来,它们不会知道这是重力。然而,缺乏理论并不意味着这些动物不会用困难的物理定律来练习。当我们掌握了一些物理知识,就可以学到一些不可思议的动物“神奇技能”和生活习惯。
这种动物会“轻功”
水面上,一只动物悠闲地漂浮着。它很瘦,有六条腿。它可以平稳的踩在水面上,不怕淋湿或者沉入水中。是水黾。为什么水黾不会因为重力而下沉?
学过物理的人都知道,如果物体的重量小于液体的浮力,就不会下沉。因此,水上行走者要想在水上平稳行走,需要很大的浮力。正如希腊,科学家阿基米德,指出的,物体的浮力等于液体下沉时的重力。但是,它是在液体的外表面上,而不是在液体中,所以需要应用不同的计算规则。
无论是落叶还是水黾,当它们落在液体表面时,决定浮力的因素主要有两个:一是液体表面产生的张力的强弱,二是生物与液体之间的表面积。
所谓液体张力,就是它的表面会像蹦床一样紧绷有弹性。水的表面张力很高。只要水霞的脚平放在水面上,与水的接触面积就能达到100%到一平方厘米,产生的浮力足以让水车保持轻便。这就是为什么大多数水黾可以安全地在水上行走甚至跳跃。
长得太“胖”,也能飞得高,跳得远
早在20世纪初,就有学者证明大黄蜂无法用传统的空气动力学定律飞行,因为它们的身体太胖,翅膀太小,产生的推力大于大黄蜂的重量。事实上,大黄蜂不仅能正常飞行,还能飞得比珠穆朗玛峰高100多米,那么这些学者错在哪里呢?
他们使用的原始模型过于简单。他们假设黄蜂在不拍动翅膀的情况下像飞机翅膀一样坚硬,忽略了黄蜂翼tip的轨迹。
与其他昆虫相比,大黄蜂扇动翅膀的频率更高,每秒150次,以产生升力。此外,大黄蜂翼点的轨迹不是简单的上下运动,而是一个“8”或“Q”形。当大黄蜂向下拍打翅膀时,这种轨迹会在翅膀的前缘产生一种叫做前缘涡的空气涡流。这个漩涡的存在会在马蜂翅膀上方形成一个低压区,类似于一个小气旋,会给马蜂向上的升力。
蜘蛛善于利用静电
漫威漫画中最受欢迎的超级英雄之一是蜘蛛侠。蜘蛛侠的攀爬能力很强。他可以徒手爬上高楼的外缘,甚至可以在天花板上自由穿梭。在与敌人战斗时,他可以喷洒蜘蛛丝,使其牢固地粘在一起。虽然现实生活中并不存在蜘蛛侠,但是动物世界里却有现实版的蜘蛛侠。蜘蛛能飞在屋檐和墙上是因为它们的脚。从力学的角度来看,当两个固体表面相互靠近时,它们之间的相互作用是非常复杂的,包括范德华力,静电力、耦合力、毛细管力等等。蜘蛛的脚上有许多刚毛。当它们与物体表面的分子相互作用时,会产生
产生了范德华力,这是范德华力中的中性分子相互靠近时产生的弱磁力。范德华力的叠加足以支撑蜘蛛的重量。
除了爬行,蜘蛛也非常擅长捕猎。许多人可能认为蜘蛛网是粘性的,小飞蛾、蚊子或其他动物在飞行中接触蜘蛛网时会成为蜘蛛的食物。然而,并不是所有这些小动物都是被蜘蛛网误捕的。
隐形海马
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短海马只有2.5厘米长,被称为“世界上最慢的鱼”。它每小时只能走1.5m。如果水下有百米冲刺。这些尖尖的卷尾生物到达终点需要将近三天的时间,但从生理学角度来看,它们缓慢的生活方式也是有道理的。
在温暖的加勒比海,有大多数鱼喜欢吃的短海马和桡足类动物。它们是毫米大小的透明甲壳动物。为了躲避遍布海洋的凶猛敌人,桡足类有着灵敏的触角,可以察觉到最微小的液体运动。一旦检测到水中的运动,桡足类动物可以在一秒钟内游500倍于它们身体距离的距离,而猎豹在一秒钟内只能跑30倍于它们身体距离的距离。
面对赛跑冠军的猎物,慢吞吞的海马要想吃掉猎物就得匍匐前进。好在海马
的头部是一个又长又窄的三角形,这样可以更好地抵抗液体阻力的干扰,使水不会有太大的震动。狗狗的甩干大法
把棍子扔进水里,受过训练的狗会直接跳进水里把棍子捡起来。问题是狗的毛很厚。被打湿后,身体会很重。一个27公斤的湿狗皮毛将含有0.4公斤的水,狗将消耗身体热量的20%来除去水分。那么,狗是如何保持自身干燥的呢?
利用人体热量加热空气和蒸发水分需要大量的能量。于是,狗选择了另一种方式——甩干自己。狗的抛水动作会从头部开始,能量波会以头部为参照点传播到身体其他部位,头部扭转幅度越大,波的幅度越大。当狗使用“甩干”法时,虽然身体的频率与皮层相同,但身体不能像皮层那样扭曲,因为皮层比较松弛。当身体剧烈摆动时,毛发的摆动幅度大于身体和头部,因此加速度会增加。这种行为就像挥舞鞭子。
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