小鴨子游泳，為什么要排成“一”字形？

古話說得好：人如其名。而名字里有魚的人，也會(huì)對(duì)魚充滿偏愛吧。比如有位名為Frank Fish的教授，他就表示自己也很喜歡Fish。

不過這位“魚教授”弗蘭克·費(fèi)什不僅愛魚，也愛水里的鴨鴨。作為一名生物學(xué)教授，他研究的主要方向是動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)。1994年，弗蘭克教授發(fā)表了一篇鴨鴨游泳的文章，研究了鴨鴨們列隊(duì)游泳時(shí)的能量消耗。

但關(guān)于鴨鴨游泳的研究還沒結(jié)束，2021年，元志明（Zhiming Yuan）博士研究團(tuán)隊(duì)又發(fā)表了一篇新的鴨鴨游泳論文。這兩篇研究共同獲得了今年的搞笑諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)。

元志明博士在搞笑諾貝爾獎(jiǎng)中介紹鴨鴨列隊(duì)丨搞笑諾貝爾獎(jiǎng)

鴨鴨游泳，到底是有什么迷人魔力讓研究者“沉淪”？

一鴨一鴨游丨Satya Prakash Karan/Youtube

乘風(fēng)破浪的鴨鴨

選秀節(jié)目里，每個(gè)團(tuán)隊(duì)的舞臺(tái)表演都很講究走位這件事，鴨鴨的“水上公演舞臺(tái)”也不例外。“一”字形簡(jiǎn)直是鴨鴨團(tuán)的標(biāo)配隊(duì)形。

跟著游丨Vicki Jauron/Babylon and Beyond Photography

鴨鴨們喜歡“一字前行”的原因還處于研究之中，不過這種隊(duì)形帶來的好處卻逐漸呈現(xiàn)：省力?？梢哉f是“不是因?yàn)槭×Σ排抨?duì)，而是因?yàn)榕抨?duì)才省力”。

野鴨們?cè)趯?shí)驗(yàn)裝置中，研究人員通過測(cè)量耗氧量情況來計(jì)算代謝率丨參考資料[2]

弗蘭克在研究中“訓(xùn)練”了幾只一天大的野鴨，讓他們可以在實(shí)驗(yàn)裝置里跟著雌性鴨子游泳前行。隨后，他們分別對(duì)生長(zhǎng)到3天、7天和14天的鴨子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。對(duì)鴨鴨們的代謝測(cè)量表明，隨著行中小鴨數(shù)量的增加，每只小鴨的能量消耗降低。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)從代謝的角度證明了列隊(duì)運(yùn)動(dòng)中的能量消耗假設(shè)。

而省力背后的原因，是因?yàn)椤袄恕薄?/p>

元志明博士等人對(duì)鴨鴨進(jìn)行了7年的觀測(cè)，并建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)了鴨鴨游泳時(shí)的波浪秘密。

鴨鴨在靜止水面、波長(zhǎng)相同但相位不同水面中的受力圖。（綠色曲線表示水面，藍(lán)色曲線表示對(duì)小鴨子體表的壓力，箭頭表示力的方向）丨參考文獻(xiàn)[3]

在“一字隊(duì)形”中，當(dāng)小鴨位于母鴨身后最恰當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)，此時(shí)的波浪阻力會(huì)變成“正值”——阻力的方向變成和小鴨同向了，此時(shí)波的相位如上圖d中所示。換句話說，這時(shí)候的阻力實(shí)際上變成了從后往前的推力，“推動(dòng)”小鴨子乘風(fēng)破浪。更微妙的是，這種情況可以通過隊(duì)形中的小鴨子們進(jìn)行維持。大鴨身后的第一只小鴨和第二只小鴨都受到了推動(dòng)，從而可以省力前行。從第三個(gè)小鴨子開始到最后，個(gè)體受到的力會(huì)逐漸趨近于零，從而達(dá)成一種動(dòng)態(tài)平衡。

列隊(duì)前行丨Martin Diebel/Discovery

哪有什么歲月靜好，只不過是有頭鴨在為你負(fù)重前行。這種乘浪和傳浪 （Wave-riding and Wave-passing）的機(jī)制，讓跟隨著大鴨游泳的小鴨子們暢通無阻。

鴨省力，船省油

在水里游的不僅有鴨，還有船。既然鴨鴨這么聰明，那人類當(dāng)然也要給船注入一些智慧。

武漢理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就對(duì)不同的船舶編隊(duì)構(gòu)型進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)串聯(lián)型的船隊(duì)隊(duì)形總阻力系數(shù)得到了有效的降低，也就是說它更節(jié)能。

想得遠(yuǎn)一點(diǎn)，有沒有可能以后整個(gè)海上火車……元志明博士的團(tuán)隊(duì)還真的在研究相關(guān)的概念，希望能夠提高的海上運(yùn)輸效率。

誰不期待《航海王》里的海上列車走進(jìn)現(xiàn)實(shí)呢。

冒煙湯姆海上火車丨航海王wiki

參考文獻(xiàn)

[1] Fish, Fish, Fish - Improbable Research. https://improbable.com/airchives/paperair/volume12/v12i3/Fish-v12i3.pdf

[2]Fish, Frank E. "Energy conservation by formation swimming: metabolic evidence from ducklings." Mechanics and physiology of animal swimming (1994): 193-204.

[3]Yuan, Zhi-Ming, et al. "Wave-riding and wave-passing by ducklings in formation swimming." Journal of Fluid Mechanics 928 (2021).

[4]鴨群過河，為什么排成 “一” 字形？知識(shí)分子.http://zhishifenzi.blog.caixin.com/archives/250888

[5] He, Yangying, et al. "Will sailing in formation reduce energy consumption? Numerical prediction of resistance for ships in different formation configurations." Applied Energy 312 (2022): 118695.

作者：Owl

編輯：窗敲雨

題圖：ROBYN BECK/Discovery

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