懂得流体力学，它们身体构造简单，却是游泳高手

　　月亮水母已经在地球的海洋里游动了超过5亿年，是动物王国里最懂得节省体力的游泳高手。｜ALEXANDER SEMENOV/SCIENCE PHOTO LIBRARY

　　作者｜陈天真

　　陆地上的我们在水里很笨拙，但水里的动物却很灵活，比如鱼有流线型的身体，可以毫不费力地在水中穿梭。但水母身体呈透明伞状，边缘缀有柔软触须，看起来似乎只能随波逐流。事实果真如此吗？并不。

　　最近一项研究发现，一种叫做月亮水母的海洋生物，是动物王国里最懂得节省体力的游泳高手。它们的秘密武器，就是在蘑菇状身体下面形成一道“水墙”，借助这道水墙推动身体向前。这是怎么做到的呢？

　　成群的水母 |New Scientist

　　身体构造简单，却是游泳高手

　　蓝色海洋里，水母就像是一只只漂流的透明气球，分外美丽。它们的肌肉组织只有单层细胞厚度，身体构造也非常简单，没有鱼类的鳃和鳍，甚至没有心脏、血液和大脑，却经受住了严苛的自然选择压力，在地球的海洋里游动了超过5亿年，比恐龙还古老。

　　在漫长的生命演化过程中，水母逐渐学会了巧妙利用身体和水之间的相互作用，成为动物王国里最懂得节省体力的游泳高手。它们的钟形身体下方有一群特殊的肌肉，可以扩张然后迅速收缩，把身体里包裹的水排出去，通过喷水推进的方法，水母就能向相反方向游动。

　　不过，它们具体是怎么游的呢？在慢镜头下，科学家们窥探到了其中奥秘。详情发表在1月6日的《英国皇家学会学报B：生物科学》上。

　　懂得流体力学的水母

　　在实验室里，科学家们用高速摄像机记录了月亮水母幽灵般的舞动。他们在一个水箱里放入大量微小的玻璃珠，然后用激光照射随水移动的玻璃珠，追踪水母周围液体的流动。

　　科学家用激光照射随水移动的微小玻璃珠，追踪水母周围液体的流动。|来自论文作者

　　结果发现，每次当水母收缩它柔软的身体时，周围就会产生两对漩涡。其中一对漩涡（下图红色）使得身体下方区域压强增大，从而提供额外的推动力。随着身体继续收缩，另一对相反方向的漩涡（蓝色）从伞状身体边缘产生，将水推向触须，水流在这里碰撞，形成一道“水墙”。

　　月亮水母收缩时，伞状身体下方会形成一道“水墙”，推动身体向前。｜来自论文

　　这两对漩涡相互作用，使得水母能够更高效地推动身体向前，比通常情况下移动的距离增加30%。事实上，聪明的水母利用了一种叫做“地面效应”的流体力学原理。

　　上天入海都用得到的地面效应

　　地面效应，也被称为翼地效应、翼面效应。当一架飞机即将降落到跑道时，飞机上的你会感觉仿佛漂浮在一层气垫上，这便是由于地面效应。此时飞机周围空气的流动受到地面影响，机身上下的压强差增大，使得上升力陡然增加。如果飞行员没有谨慎应对，飞机甚至会因为地面效应而获得上扬力，突然上升。

　　甲壳类和鱼类等动物在固体边界——如礁石附近游动时，就会体验到地面效应。水母大多数时候生活在开放水域，却可以凭借只有一层细胞厚的肌肉组织，自己制造出一道水墙，借助水墙的力量产生地面效应，推动自己向前。

　　飞机接近陆地或水面时，下方会形成气体漩涡，从而获得抬升力。｜Wikipedia

　　而人类工程师也在利用地面效应，来提高推进器的效率。由于地面效应，在同样速度和推力下，飞机在近地飞行会获得更大的上扬力，从而提升燃料效率。前苏联就曾研制出多款翼地效应飞行器（简称“地效飞行器”）。它们贴近陆地或水面飞行，一旦出现紧急情况可随时降落；在水中可以避免浪涛，在陆地上可以飞跃沙漠、沼泽，应用前景十分广阔。

　　在赛车比赛中，我们常看到速度飞快的赛车像火柴盒一样翻滚出赛道，也是因为地面效应。为了让赛车在转弯时也能保持高车速，设计师们常常在赛车的头部和尾部安装一段小翼面，与机翼的形态恰好相反，上平下弯，以使得在赛车飞奔时产生向下的力，将车身牢牢压在地面上。同时还能增加摩擦力，让车更快速前进。

　　在未来，工程师们说不定还会借鉴水母的智慧，设计一个水下航行器，让它们生成漩涡，提高水下推进的效率。

　　你也可以试试，在下次游泳的时候，思考一下流体力学，努力拨弄出几个旋涡。

　　参考链接：

　　[1]https://www.sciencemag.org/news/2021/01/watch-moon-jellyfish-make-walls-water-glide-along

　　[2]https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2020.2494

　　[3]https://www.newscientist.com/article/2264056-jellyfish-push-off-a-pocket-of-water-under-their-bell-to-swim-faster/#ixzz6jDZFi9mm

　　[4]https://www.bbcearth.com/blog/?article=the-jellyfish-that-never-dies

　　[5]https://www.nationalgeographic.com/news/2016/02/160302-jellyfish-immortal-science-animals-oceans-deadpool/

　　[6]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0145314