小鸭的物理学：如何排成队形游泳

2022年搞笑诺贝尔物理学奖联合颁发给了两个研究小组。研究人员来自中国、英国、土耳其和美国，研究人员试图了解小鸭如何排成队形游泳而获得此奖。

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该奖项的一个工作发表在《动物游泳的力学和生理学》一书中，另一个工作发表在《流体力学杂志》上。早在1994年，生物学家Frank Fish就很好奇动物的队形运动（如集群）如何减少个体动物的能量消耗。

根据发表在《流体力学杂志》上的研究，小鸭子在开放水域中以高度组织化的队形跟随它们的母亲。这就产生了三个问题，即为什么小鸭子要排成队形游泳，最好的游泳队形是什么，以及队形游泳时每个个体能保存多少能量。

研究者们用乘波（wave riding）和传波(wave passing)来概括鸭群排队游泳中的流体力学关系。乘浪正如其名，如图所示。当领头鸭子游泳时，它会在水中产生尾流和尾波。根据后面的鸭子在波浪上的位置，它可以像上坡或下坡游泳一样，前者比后者需要更多的能量消耗。事实上，这种效果可能非常强烈，以至于尾随鸭子所受到的阻力可能是负的，就好像它被拉着一样。当然，领头的鸭子走得越远，其尾流就越小，这意味着后面的每一只鸭子乘浪的节能效果都会减弱。然而，这就是波传递发挥作用的地方。其余的小鸭也可以以单列队形维持乘浪优势。因此，乘波和传波可能是水禽游泳形态进化的主要原因。

这项研究首次揭示了水禽的编队运动可以节省个体能量消耗的原因。这个概念正是普通汽车、自行车手和跑步者在比赛中所做的。这个研究引起了轰动，不仅因为其令人惊叹的因素，还因为在引人入胜的系统背景下呈现了具有数学挑战性的信息。从小鸭身上抽象出来，这项研究的结果有可能应用于航海船只或其他动物的群体动态。如果将这一结果应用于水火车形式的货运，可以显着节省燃料，而且还可能在以下方面有用：优化运输和物流。

供稿单位：重庆市无线电科普体验中心

审核专家：张启义

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