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鸭群过河,为什么排成 “一” 字形?

排成“一”字形过河的鸭群 | 图源:pixabay.com
 
编者按
 
小鸭跟着鸭妈妈一起过河,为什么往往都是排成 “一” 字编队?这一再正常不过的现象引起了流体力学家们的注意,他们花了七年的时间来研究小鸭过河的秘密。
 
撰文 | Zhiming
 
责编 | 王雨丹
 
我们时常可在户外的水面看到这样的场景:小鸭(或幼鹅)以高度有组织的编队形式,排成 “一” 字形,跟随鸭妈妈向前游。你有没有想过,小鸭们为何要编队游泳,这样更省力吗?最好的鸭群游泳阵型是怎样的?每只小鸭在编队游泳时又能节省多少能量?
 
为了回答以上三个问题,来自英国思克莱德大学和中国江苏科技大学的学者们研究了编队鸭群在水面游行时的兴波问题。他们历经7年的实地观测,并建立了精确的数值计算模型,终于揭开了水禽群游的答案:乘浪和传浪 (Wave-riding and Wave-passing)。
 
如同行进的船舶一样,水禽在水面前行时,其身后亦不可避免地会产生所谓的开尔文船行波系,这一波系以大约39度角向船后传播。兴波需要耗能,而这一能量源自行进物体为了克服兴波阻力所做的功。
 
研究发现,成群的小鸭最有可能以 “一” 字形的编队尾随母鸭。在此阵型中,小鸭可以通过 “乘坐” 母鸭所产生的波浪以减小其自身的兴波阻力。当小鸭位于母鸭身后的最佳位置(即前半部分位于波谷,后半部分位于波峰),小鸭后半部分受到的水压大于其前半部分,神奇的消波现象发生了:此时小鸭的波浪阻力变为正值(与行进方向相同),从而推动着小鸭向前运动。从能量的角度,母鸭和小鸭所兴的波浪互相抵消,能量从总体消减的波系中得以保存。
 
更有趣的是,这种乘波而行所带来的好处,并不会因为阵型中尾随小鸭数量的增加而消失。母鸭身后的第一只小鸭能够省力最多,第二只次之,从队列中的第三只开始,直至阵列中的最后一只小鸭,所有个体的兴波阻力都趋于零。此时,鸭群阵列达到微妙的动态平衡,系统的总兴波阻力维持不变。
 
在该平衡状态下,每只小鸭都充当着波浪传递者的角色,将来自身前个体的波浪能传递给其尾随的个体,从而阻止了波浪能向周边辐射,实现了 “雨露均沾” 的效果。“大自然是如此的巧妙,为水禽群游安排了如此精致的平衡,” 文章的第一作者,来自英国思克莱德大学的高级讲师元志明博士感叹道。
 
这一发现于10月5日正式发表在 Journal of Fluid Mechanics 上,该研究首次揭示了乘浪和传浪机理可能是决定水禽游泳阵型进化的主要原因。不仅如此,这些水禽在水面上按队形移动所获得的好处也可能影响其原始本能,驱使其在岸上仍能下意识地跟随任何移动物体(甚至是机器鸭、机器人)。
图1 在乘浪和传浪机理的驱使下,岸上的水禽也会下意识地跟随前方的移动物体 | 图源:pixabay.com
 
虽然印随(imprinting,一种由基因决定的先天行为)的机制尚未完全揭开,但这项研究揭示了流体力学对动物行为和潜在进化的重要性。“乘浪和传浪机理也可能适用于设计现代货运船只或船队,受到鸭群阵列的启发,我们正在研究 “海上火车” 的概念,以实现用较低的燃料成本来运输更多货物的目标”,元志明博士说。
图2 上半部分图为母鸭身后跟随6只小鸭的波浪场云图。从该图可以看出,自第三只小鸭开始,每个个体后的波形基本定型,从而说明波浪被顺利的传播下去,实现每只小鸭都有“波”可乘的动态平衡;
 
下半部分图为每只小鸭“乘波”而行所获得的最大波浪减阻。第一和第二只小鸭的波浪减阻大于100%,说明这两只小鸭所受到的波浪阻力为正(与运动方向相同),由母鸭产生的波浪会推着他们向前运动。自第三只小鸭起,至最后一只小鸭,其波浪减阻为100%,说明这些个体不再兴波,作用在这些个体上的波阻为零 | 图源[1]
 
参考文献:
 
[1] Yuan, Z., Chen, M., Jia, L., Ji, C., & Incecik, A. (2021). Wave-riding and wave-passing by ducklings in formation swimming. Journal of Fluid Mechanics, 928, R2. doi:10.1017/jfm.2021.820



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