如果一只動物在覓食過程中,不小心從樹頂上掉了下來,它們當(dāng)然不會知道這是地球引力在作崇。不過,理論的不足,并不意味著這些動物不會利用艱深的物理規(guī)律來實踐。當(dāng)我們掌握了一些物理知識后,就可以理解一些讓人類覺得不可思議的動物“神技”和生活習(xí)性。
水面上,一只動物在悠然行走,它身材纖細(xì),六條腿平穩(wěn)地踩在水面上,絲毫不會害怕身體被打濕,或者擔(dān)心自己沉到水里,它就是水黽。為什么水黽不會像大多數(shù)動物一樣,因為重力的作用而下沉呢?
學(xué)過物理學(xué)的人都知道,如果物體的重量比液體產(chǎn)生的浮力小,就不會下沉。所以,水黽如果想順利在水上行走,就需要有非常大的浮力。就像希臘科學(xué)家阿基米德指出的,物體浮力等于物體下沉?xí)r排開液體的重力。不過是在液體外表面,而不是位于液體內(nèi),需要運用不同的計算規(guī)則。
不論落葉還是水黽,當(dāng)它落到液體的表面時,決定其所受浮力大小的因素,主要有兩個:一個是這種液體表面所產(chǎn)生的張力的強弱,另一個是生物接觸這種液體的表面積的多少。
所謂液體的張力,就是它的表面會像蹦床一樣繃緊,并且具有彈性。水的表面張力是很大的,只要水黽的腳平置于水面,與水的接觸面積能夠達到一平方厘米,產(chǎn)生的浮力就足以托住體態(tài)輕盈的水黽。這就是為什么大多數(shù)水黽可以安全地在水上行走甚至跳躍的原因。
在20世紀(jì)早期,有學(xué)者用傳統(tǒng)空氣動力學(xué)定律證明了大黃蜂是不可能飛行的,因為它們身體過于肥胖,而翅膀又太小,不足以產(chǎn)生超過大黃蜂身體重量的推力。事實上,大黃蜂不僅可以正常飛行,而且研究發(fā)現(xiàn),有的黃蜂飛行的高度可以比珠穆朗瑪峰還要高出100多米。那么,這些學(xué)者錯在哪里呢?
原來,他們采用的模型過于簡單,他們假設(shè)黃蜂不扇動翅膀,像飛機機翼一樣僵硬,而且忽略了大黃蜂翅尖的運動軌跡。
比起其他昆蟲,為了產(chǎn)生升力,大黃蜂扇動翅膀的頻率會更高,每秒達150次。除此之外,大黃蜂翅尖的軌跡并非是單純的上下運動,而是呈現(xiàn)一個“8”字型或者“q”型的運動軌跡,當(dāng)大黃蜂向下拍動翅膀時,這種運動軌跡將在翅膀的前緣產(chǎn)生一個被稱為前緣渦的空氣漩渦。這個渦的存在,可導(dǎo)致黃蜂翅膀上方產(chǎn)生一個低壓區(qū)域,類似于小型旋風(fēng),從而使得黃蜂獲得向上的升力。
美國漫威旗下有一個很受歡迎的超級英雄,他就是蜘蛛俠。蜘蛛俠有很強的攀爬能力,能夠徒手在高樓外沿攀爬,甚至能在天花板上穿梭自如,在與敵人打斗時,還能噴出蜘蛛絲牢牢黏住對方。雖然蜘蛛俠在現(xiàn)實生活中不存在,但在動物界,有一個現(xiàn)實版的“蜘蛛俠”——蜘蛛。
蜘蛛之所以能飛檐走壁,奧秘就藏在它的腳底下。從力學(xué)角度來看,當(dāng)兩個固體表面相互靠近時,其問的相互作用力十分復(fù)雜,其中包括范德華力、靜電力、偶極力、毛細(xì)力等。蜘蛛腳掌上有大量的剛毛,當(dāng)與物體表面的分子間發(fā)生作用時,會產(chǎn)生范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時,產(chǎn)生的一種微弱電磁力,大量范德華力的疊加就足以支撐蜘蛛的體重。
除了在爬行方面,蜘蛛捕食的本領(lǐng)也很高超。許多人也許會以為,蜘蛛的網(wǎng)具有黏性,小飛蛾、蚊子或者其他動物在飛行過程中,誤打誤撞碰到了蜘蛛網(wǎng),才會成為蜘蛛的盤中餐。不過,這些小動物們可不全是誤打誤撞才被蜘蛛網(wǎng)捕捉的。
侏儒海馬只有2.5厘米長,被稱為“世界上最慢的魚”,每小時只行走1.5米。如果水下有一個100米的沖刺。這些尖腦袋、卷尾生物會花費差不多3天時間才到達終點,但是從物理學(xué)角度分析,它們慢悠悠的生活方式也有一定道理。
在溫暖的加勒比海域,住著侏儒海馬和大多數(shù)魚類都愛吃的橈足動物,這是一種毫米大小的透明甲殼動物。為了躲避遍布海洋的勁敵,橈足動物長著敏感的觸角,能夠檢測到最微小的液體運動,一旦察覺到水中動靜,橈足動物可以在一秒中游出它們身體500倍的距離,而獵豹每秒鐘只能跑出身體30倍的距離。
面對堪稱跑步冠軍的獵物,速度緩慢的海馬想要吃上美餐,必須躡手躡腳。幸好海馬的頭部是一個狹長的三角形,能更好地抵抗液體阻力的干擾,使得水不會有太大振動。
把木棍扔進水里,訓(xùn)練有素的狗狗會直接跳進水中將其叼上來。問題是,狗狗皮毛很厚,被打濕后,身體會很笨重,一只27千克的濕狗皮毛中會含有0.4千克重的水,狗狗將耗費身體熱量的20%來去除水分。那么,狗狗該怎么樣保持自己的干爽呢?
用身體熱量來加熱空氣并且蒸發(fā)水分,需要耗費很多能量。所以,狗選擇了另外一種方式——主動甩干自己。狗甩水動作會從頭部開始,能量波以頭為基準(zhǔn)點,擴散到身體其他部位,且頭部扭轉(zhuǎn)幅度越大,振幅波就越大。當(dāng)狗狗施展“甩干”大法時,雖說身體甩的頻率和皮層一樣,不過身體可沒法像皮層那樣大幅度扭轉(zhuǎn),這是因為皮層更松弛。當(dāng)身體劇烈甩動時,皮毛甩動的程度比身體和頭部都要大,加速度會因此增加,這樣的動作,力道有如揮動鞭子。