水母的“甜甜圈”效應

李梅

水母被稱為“世界上最高效的游泳者”之一，輕輕一擺動，就能游出好幾米，而且它一刻不停地在水中游動著，一天下來移動的總距離高達好幾千米。為什么水母能維持這么長時間長距離的運動呢？

水母“賽車”的奧秘

說起水母，大家腦中就浮現這樣一個形象：大大的腦袋、細細的“手腳”，一個蘑菇形狀的氣球在浩瀚的大海中“柔弱無力”地隨波逐流。這樣一種生物怎么可能是游泳高手呢？其實，之所以說水母的游動很高效，并不是因為它游得有多快，而是因為它一天游動數千米，而且它游動這么長距離卻僅僅消耗了極少的能量，比鯊魚、海豚等水下“運動健將”消耗的氧氣和食物都少得多。水母有什么游泳秘訣呢？

水母的游泳秘訣在科學家的高速攝影機鏡頭下一覽無遺。水母被養在玻璃水箱中，高速攝影機記錄下了它游動時的每一個細節。當水母收縮它的鐘狀體（頭部像傘一樣的圓盤形結構）時，水流被吸近它的身體，周邊形成了一個低壓區，流體具有從高壓區向低壓區運動的特性，于是水母就被逆推向前。這還沒完，前進后的水母隨之放松鐘狀體，后方的高壓水流就會涌向水母，這給水母提供了第二波前進的動力，讓水母一次收縮就能向前游出一大段距離。而且，由于水母的彈性的身體構造，放松鐘狀體時幾乎不消耗任何能量，于是它就能以非常省力的方式向前游動。

如果對這種速度還不滿足，水母還有一個絕招——制造“甜甜圈”。水母會在不同的位置快速收縮以產生兩個旋轉方向相反的水下渦流環，它們相互碰撞擠壓，產生一股新的沖力推動水母前進。在這股力的作用下，水母的游泳速度增加了41%，每個收縮舒張周期的累積移動距離增加了61%。科學家觀察到，在水母的鐘狀體邊緣長著一圈圈環狀的肌肉組織，這是水母輕松攪動水流的秘密武器。

“水母”飛離海面

如果水母在水面上制造“甜甜圈”，也許它能在海面上“飛”起來，事實上，這樣的“甜甜圈”正是飛機飛離地面的一大動力。飛機起飛前，飛機與地面之間有一團被強烈擠壓的空氣，這團空氣給飛機提供了反向的升力，飛機得以起飛。而水母的兩個反向“甜甜圈”互相碰撞，形成了像機翼與地面相互作用那樣的渦流環，水母處在兩個渦流環的中心處，接收到了向前和向上的推力。

冷戰期間，蘇聯向世人展示了一種奇特的交通工具，它長得宛若空中疾馳的飛機，卻又緊貼海面，就像一只海上航行的船舶，航行一段時間，倏忽一下它就飛上了天。這到底是飛機還是船？船并不會飛，而我們常見的飛機都是從陸地上起飛的，在軟軟的海面上飛機是怎么起飛的呢？

這種交通工具的學名叫做地效飛行器，它雖然很少見，但人們研究它的歷史是很長久的，從1897年法國人最早進行地效飛行器試驗至今，人類對地效飛行器的理論研究和實踐試驗已有了上百年的歷史，其所運用的原理正與水母的“甜甜圈”相同。這個原理被稱為地面效應，說的是運動物體貼近地面運行時，地面對物體產生的空氣動力干擾，簡單地說，就是當運動的物體靠近靜止的地面時，它并不會直接墜到地上，物體攪動空氣，地面與物體之間的空氣會對物體產生一個反向作用力，因此物體會在近地面飄蕩一段時間。一個簡單的小實驗就可以讓我們看到地面效應的存在：將一張紙巾從高空拋下來，它接近地面時會在上方飄蕩一段時間而不是直接墜落。

運用地面效應，飛機就可以在軟軟的海面上起飛。當飛行器貼近地面或水面飛行時，飛行器加速，機翼上方的氣流速度更快，壓力降低，下面的氣流減速，壓力升高。作用在機翼上的壓力差明顯增大，使升力陡然增大，于是飛機就被“托”了起來。

地效飛行器與普通飛機相比，有很多優勢，它不受空中管制的限制，出航方便，又可在水面隨處起飛和降落，使用起來機動性好，且能到達一般船舶和飛機難以到達的島嶼和水域，在貨運、搜救和偵查等方面都有廣闊的用途。不過，地效飛行器的研制難度很大，在水面上航行和在空中轉向降落時的穩定程度也有待提高，直到如今也沒能像陸地飛機那樣普遍。

在發現水母制造“甜甜圈”的能力后，研究地效飛行器的科學家也許可以向水母學習，如何運用“甜甜圈”讓飛行器飛得更快更穩。

陸上的“水母”賽車

能在海上飛的地效飛行器

不管地效飛行器能否向水母取經，至少陸地上的賽車早就注意到了“甜甜圈”的威力，在它們的幫助下，現代賽車正往更快更穩的方向持續發展。

我們知道，賽車最重要的就是速度，那種風馳電掣的極致速度帶來的震撼讓觀者無不為之驚嘆，也讓賽車手沉迷其中、欲罷不能。賽車公司曾想出許多方法提高賽車的速度，將車身制成纖細的流線型、尾翼變成鰭狀、前鼻翼大幅抬高等，這都是為了減小空氣阻力，加快賽車速度。可是工程師們很快就發現這些方法并不實用，這樣制出來的賽車在轉彎時很容易側翻，減速時也容易翻車，對車手的生命安全造成了很大威脅。這道難題難住了賽車公司，該怎么在減小阻力的同時增加穩定程度呢？

地面效應的另一面幫助了他們。科學家發現，當改變機翼的高度和角度時，機翼附近氣體的流速和壓力會發生改變。如果機翼向下傾斜，即機翼后緣非常接近地面時，氣體會被堵在機翼下方，導致機翼下方的壓力提高，這直接提高了升力;反過來，將機翼向上傾斜，流經機翼下方的氣體減少，上方的氣體向下壓，飛機的抓地力就會提高。如果將這種倒置的機翼裝在賽車上，是不是一樣能提高賽車的抓地力呢？

1968年，賽車首次被裝上了倒置的機翼（賽車中稱為尾翼），被分流的空氣對賽車產生了下壓力，當賽車再進行轉彎時，這個下壓力對賽車產生的阻力與轉彎產生的離心力相互抵消，大大減少了側翻的發生。1970年，美國賽車公司雪佛蘭更是將地面效應運用到極致，他們在汽車尾部裝了兩個渦扇，運行時不斷將車底空氣抽出，最大程度地增加了上方空氣的壓力。后來，雖然這種抽氣法因為會對其他賽車造成干擾而被禁止了，但改變尾翼的高度和角度、改變汽車底盤的氣體擴散裝置正式成為了增加賽車抓地力且不影響賽車速度的必備方法，直到現在仍是各大賽車公司的研究重點。

看來，“甜甜圈”并不像我們想得那么簡單，在不同的位置制造“甜甜圈”，它對流體的作用就會發生改變，從而產生不同的作用效果。想要將“甜甜圈”運用自如，我們還要多加研究。

賽車尾翼有利于提高抓地力