动物也懂物理学

高嵩

如果一只动物在觅食过程中，不小心从树顶上掉了下来，它们当然不会知道这是地球引力在作祟。不过，理论的不足，并不意味着这些动物不会利用艰深的物理规律来实践。当我们掌握了一些物理知识后，就可以理解一些让人类觉得不可思议的动物“神技”和生活习性。

这种动物会“轻功”

水面上，一只动物在悠然行走，它身材纤细，六条腿平稳地踩在水面上，丝毫不会害怕身体被打湿，或者担心自己沉到水里，它就是水黾。为什么水黾不会像大多数动物一样，因为重力的作用而下沉呢？

学过物理学的人都知道，如果物体的重量比液体产生的浮力小，就不会下沉。所以，水黾如果想顺利在水上行走，就需要有非常大的浮力。就像希腊科学家阿基米德指出的，物体浮力等于物体下沉时排开液体的重力。不过是在液体外表面，而不是位于液体内，需要运用不同的计算规则。

不论落叶还是水黾，当它落到液体的表面时，决定其所受浮力大小的因素，主要有两个：一个是这种液体表面所产生的张力的强弱，另一个是生物接触这种液体的表面积的多少。

所谓液体的张力，就是它的表面会像蹦床一样绷紧，并且具有弹性。水的表面张力是很大的，只要水黾的脚平置于水面，与水的接触面积能够达到一平方厘米，产生的浮力就足以托住体态轻盈的水黾。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的原因。

长得太“胖”，也能飞得高，跳得远

在20世纪早期，有学者用传统空气动力学定律证明了大黄蜂是不可能飞行的，因为它们身体过于肥胖，而翅膀又太小，不足以产生超过大黄蜂身体重量的推力。事实上，大黄蜂不仅可以正常飞行，而且研究发现，有的黄蜂飞行的高度可以比珠穆朗玛峰还要高出100多米。那么，这些学者错在哪里呢？

原来，他们采用的模型过于简单，他们假设黄蜂不扇动翅膀，像飞机机翼一样僵硬，而且忽略了大黄蜂翅尖的运动轨迹。

比起其他昆虫，为了产生升力，大黄蜂扇动翅膀的频率会更高，每秒达150次。除此之外，大黄蜂翅尖的轨迹并非是单纯的上下运动，而是呈现一个“8”字型或者“q”型的运动轨迹，当大黄蜂向下拍动翅膀时，这种运动轨迹将在翅膀的前缘产生一个被称为前缘涡的空气漩涡。这个涡的存在，可导致黄蜂翅膀上方产生一个低压区域，类似于小型旋风，从而使得黄蜂获得向上的升力。

蜘蛛善于利用静电

美国漫威旗下有一个很受欢迎的超级英雄，他就是蜘蛛侠。蜘蛛侠有很强的攀爬能力，能够徒手在高楼外沿攀爬，甚至能在天花板上穿梭自如，在与敌人打斗时，还能喷出蜘蛛丝牢牢黏住对方。虽然蜘蛛侠在现实生活中不存在，但在动物界，有一个现实版的“蜘蛛侠”——蜘蛛。

蜘蛛之所以能飞檐走壁，奥秘就藏在它的脚底下。从力学角度来看，当两个固体表面相互靠近时，其间的相互作用力十分复杂，其中包括范德华力、静电力、偶极力、毛细力等。蜘蛛脚掌上有大量的刚毛，当与物体表面的分子间发生作用时，会产生范德华力。范德华力是中性分子彼此距离非常近时，产生的一种微弱电磁力，大量范德华力的叠加就足以支撑蜘蛛的体重。

除了在爬行方面，蜘蛛捕食的本领也很高超。许多人也许会以为，蜘蛛的网具有黏性，小飞蛾、蚊子或者其他动物在飞行过程中，误打误撞碰到了蜘蛛网，才会成为蜘蛛的盘中餐。不过，这些小动物们可不全是误打误撞才被蜘蛛网捕捉的。

隐形海马

侏儒海马只有2.5厘米长，被称为“世界上最慢的鱼”，每小时只行走1.5米。如果水下有一个100米的冲刺。这些尖脑袋、卷尾生物会花费差不多3天时间才到达终点，但是从物理学角度分析，它们慢悠悠的生活方式也有一定道理。

在温暖的加勒比海域，住着侏儒海马和大多数鱼类都爱吃的桡足动物，这是一种毫米大小的透明甲壳动物。为了躲避遍布海洋的劲敌，桡足动物长着敏感的触角，能够检测到最微小的液体运动，一旦察觉到水中动静，桡足动物可以在一秒中游出它们身体500倍的距离，而猎豹每秒钟只能跑出身体30倍的距离。

面对堪称跑步冠军的猎物，速度缓慢的海马想要吃上美餐，必须蹑手蹑脚。幸好海马的头部是一个狭长的三角形，能更好地抵抗液体阻力的干扰，使得水不会有太大振动。

狗狗的甩干大法

把木棍扔进水里，训练有素的狗狗会直接跳进水中将其叼上来。问题是，狗狗皮毛很厚，被打湿后，身体会很笨重，一只27千克的湿狗皮毛中会含有0.4千克重的水，狗狗将耗费身體热量的20%来去除水分。那么，狗狗该怎么样保持自己的干爽呢？

用身体热量来加热空气并且蒸发水分，需要耗费很多能量。所以，狗选择了另外一种方式——主动甩干自己。狗甩水动作会从头部开始，能量波以头为基准点，扩散到身体其他部位，且头部扭转幅度越大，振幅波就越大。当狗狗施展“甩干”大法时，虽说身体甩的频率和皮层一样，不过身体可没法像皮层那样大幅度扭转，这是因为皮层更松弛。当身体剧烈甩动时，皮毛甩动的程度比身体和头部都要大，加速度会因此增加，这样的动作，力道有如挥动鞭子。endprint