原創 陳天真 十點科學

月亮水母“懂得”流體力學知識，從而成為了海洋里最懂得節省體力的游泳高手。

月亮水母已經在地球的海洋里游動了超過5億年，是動物王國里最懂得節省體力的游泳高手。｜ALEXANDER SEMENOV/SCIENCE PHOTO LIBRARY

作者｜陳天真

陸地上的我們在水里很笨拙，但水里的動物卻很靈活，比如魚有流線型的身體，可以毫不費力地在水中穿梭。但水母身體呈透明傘狀，邊緣綴有柔軟觸須，看起來似乎只能隨波逐流。事實果真如此嗎？并不。

最近一項研究發現，一種叫做月亮水母的海洋生物，是動物王國里最懂得節省體力的游泳高手。它們的秘密武器，就是在蘑菇狀身體下面形成一道“水墻”，借助這道水墻推動身體向前。這是怎么做到的呢？

成群的水母 |New Scientist

身體構造簡單，卻是游泳高手

藍色海洋里，水母就像是一只只漂流的透明氣球，分外美麗。它們的肌肉組織只有單層細胞厚度，身體構造也非常簡單，沒有魚類的鰓和鰭，甚至沒有心臟、血液和大腦，卻經受住了嚴苛的自然選擇壓力，在地球的海洋里游動了超過5億年，比恐龍還古老。

在漫長的生命演化過程中，水母逐漸學會了巧妙利用身體和水之間的相互作用，成為動物王國里最懂得節省體力的游泳高手。它們的鐘形身體下方有一群特殊的肌肉，可以擴張然后迅速收縮，把身體里包裹的水排出去，通過噴水推進的方法，水母就能向相反方向游動。

不過，它們具體是怎么游的呢？在慢鏡頭下，科學家們窺探到了其中奧秘。詳情發表在1月6日的《英國皇家學會學報B：生物科學》上。

懂得流體力學的水母

在實驗室里，科學家們用高速攝像機記錄了月亮水母幽靈般的舞動。他們在一個水箱里放入大量微小的玻璃珠，然后用激光照射隨水移動的玻璃珠，追蹤水母周圍液體的流動。

科學家用激光照射隨水移動的微小玻璃珠，追蹤水母周圍液體的流動。|來自論文作者

結果發現，每次當水母收縮它柔軟的身體時，周圍就會產生兩對漩渦。其中一對漩渦（下圖紅色）使得身體下方區域壓強增大，從而提供額外的推動力。隨著身體繼續收縮，另一對相反方向的漩渦（藍色）從傘狀身體邊緣產生，將水推向觸須，水流在這里碰撞，形成一道“水墻”。

月亮水母收縮時，傘狀身體下方會形成一道“水墻”，推動身體向前。｜來自論文

這兩對漩渦相互作用，使得水母能夠更高效地推動身體向前，比通常情況下移動的距離增加30%。事實上，聰明的水母利用了一種叫做“地面效應”的流體力學原理。

上天入海都用得到的地面效應

地面效應，也被稱為翼地效應、翼面效應。當一架飛機即將降落到跑道時，飛機上的你會感覺仿佛漂浮在一層氣墊上，這便是由于地面效應。此時飛機周圍空氣的流動受到地面影響，機身上下的壓強差增大，使得上升力陡然增加。如果飛行員沒有謹慎應對，飛機甚至會因為地面效應而獲得上揚力，突然上升。

甲殼類和魚類等動物在固體邊界——如礁石附近游動時，就會體驗到地面效應。水母大多數時候生活在開放水域，卻可以憑借只有一層細胞厚的肌肉組織，自己制造出一道水墻，借助水墻的力量產生地面效應，推動自己向前。

飛機接近陸地或水面時，下方會形成氣體漩渦，從而獲得抬升力。｜Wikipedia

而人類工程師也在利用地面效應，來提高推進器的效率。由于地面效應，在同樣速度和推力下，飛機在近地飛行會獲得更大的上揚力，從而提升燃料效率。前蘇聯就曾研制出多款翼地效應飛行器（簡稱“地效飛行器”）。它們貼近陸地或水面飛行，一旦出現緊急情況可隨時降落；在水中可以避免浪濤，在陸地上可以飛躍沙漠、沼澤，應用前景十分廣闊。

在賽車比賽中，我們常看到速度飛快的賽車像火柴盒一樣翻滾出賽道，也是因為地面效應。為了讓賽車在轉彎時也能保持高車速，設計師們常常在賽車的頭部和尾部安裝一段小翼面，與機翼的形態恰好相反，上平下彎，以使得在賽車飛奔時產生向下的力，將車身牢牢壓在地面上。同時還能增加摩擦力，讓車更快速前進。

在未來，工程師們說不定還會借鑒水母的智慧，設計一個水下航行器，讓它們生成漩渦，提高水下推進的效率。

你也可以試試，在下次游泳的時候，思考一下流體力學，努力撥弄出幾個旋渦。

（責編 高佩雯）

參考鏈接：

[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

文章由“十點科學”（ID：Science_10）公眾號發布，轉載請注明出處。

原標題：《懂得流體力學，它們身體構造簡單，卻是游泳高手》

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