出品：科普中國

作者：王佳音（中國科學院先進技術研究院）

監制：中國科普博覽

大家應該都見過魚在水里游泳，那死去的魚呢？這聽起來似乎有點荒誕，但2024年的搞笑諾貝爾物理學獎卻頒給了一項關于死魚游泳的相關研究。

來自美國的科學家們因“演示和解釋死鱒魚的游泳能力”而獲此殊榮。該研究不僅報道了一種令人驚訝的神奇現象，還揭示了流體動力學的奧秘，為我們理解魚類如何利用水中的渦流節省能量提供了新的視角。

各懷絕技：魚類游泳方式的多樣性

魚類的游泳方式多種多樣，遠比我們想象的要復雜。最常見的是擺動式游泳，魚體呈現S形彎曲，從頭到尾產生一個行進波，推動魚向前游動。但這只是冰山一角。

有些魚類如旗魚和鯖魚，采用巡航式游泳。它們的身體呈流線型，尾鰭呈新月形，能夠長時間保持高速游動。相比之下，鰻魚則采用蛇形游動，全身產生大幅度波浪狀運動，適合在復雜環境中穿梭。

有趣的是，一些魚類還發展出了特殊的游泳方式，能利用胸鰭“行走”在海底，而飛魚則能躍出水面，利用胸鰭滑翔一段距離。這些多樣的游泳方式反映了魚類對不同生態環境的適應。

飛魚

（圖片來源：維基百科）

天生一對：流體動力學與魚類泳姿

要理解魚類游泳，離不開流體動力學原理。當魚在水中游動時，它們實際上在不斷地操縱周圍的水流。通過身體和鰭的運動，魚類能夠產生和控制渦流，從而獲得推進力。

有趣的是，魚類游泳時產生的渦流并非隨機。研究發現，高效游動的魚類能夠產生有組織的渦流系統。這些渦流不僅提供推進力，還能減少水的阻力，讓魚游得更快，更省力。

魚類游泳的能量效率一直是科學家關注的焦點，研究發現，除了身體結構的優化，魚類還采用了多種策略來節省能量。有些魚類如金槍魚，能夠長途遷徙數千公里，這需要極高的能量效率。很多魚類還會利用“滑行”來節省能量，它們在擺動幾下后會短暫地停止運動，利用慣性滑行一段距離。此外，群游也是一種節能策略。跟隨前方魚類產生的渦流，后方的魚可以省力不少。

下次當你在水族館或河邊觀察魚類時，不妨多留意它們的游動方式。也許你會發現，在看似簡單的擺動背后，隱藏著流體動力學的精妙奧秘。而這些奧秘，正在啟發我們創造更智能、更高效的未來科技。

渦街游泳：一種獨特的游泳方式

卡門渦街是當流體以一定速度流經圓柱體等鈍體物體時，在其后方形成的規律交替排列的渦流系列，呈現出類似街道般的有序結構。研究團隊的靈感來自一個有趣的現象：在河流中，魚類常常喜歡在障礙物后方停留，而障礙物的后方常有渦流乃至渦街出現。科學家們好奇，魚是否能從這些渦流區域的特殊水流中獲益？為了探索這個問題，他們設計了一個巧妙的實驗。

卡門渦街動圖

（圖片來源：維基百科）

在實驗中，研究人員在水槽里放置了一個D形柱體，用以產生規律的渦流。當活鱒魚被放入這個環境時，它們展現出一種獨特的游泳方式，被稱為“卡門步態”。此時魚體會以一種大幅度、低頻率的方式擺動，其頻率與渦流的形成頻率驚人地一致。這種游泳方式似乎能讓魚在節省能量的同時保持位置不變，甚至逆流而上。

美國國家航空航天局拍攝的智利海岸的胡安·費爾南德斯群島周圍的颶風引起的卡門渦街

（圖片來源：維基百科）

但真正讓人大吃一驚的是，當研究人員用死去的鱒魚進行實驗時，他們發現即使是死魚也能展現出類似的“游泳”能力！

虹鱒

（圖片來源：維基百科）

死魚的“復活”之謎

那么，死魚是如何“游泳”的呢？答案就在流體動力學和魚體的柔軟特性中。當死魚被放置在渦流中時，來自不同方向的水流作用于魚體，使其產生周期性的擺動。這種被動的擺動恰好能與水流中的渦旋相互作用，產生向前的推力。

研究人員發現，死魚的擺動頻率和幅度與活魚非常相似。這意味著，魚類在利用渦流游泳時，很大程度上是在利用一種被動機制。魚體的柔軟度和形狀經過長期進化，已經非常適合這種被動推進。簡單來說，這項研究揭示了自然界中一種巧妙的能量利用方式。在湍急的水流中，魚類不是單純地與水流對抗，而是學會了“順勢而為”，利用水流中的能量來減少自身的能量消耗。

不僅引人發笑，更引人深思。這項研究不僅有趣，還具有潛在的應用價值。

理解了魚類如何高效利用渦流，科學家們可能據此開發出新的水下機器人設計。這些機器人可能在湍急的水域中更加靈活，能源效率更高。同時，理解魚類如何利用渦流也可能幫助我們設計更高效的船舶和潛水器。比如，船體的設計可能會考慮如何更好地利用自身產生的渦流來減少阻力。

此外，這項研究也為我們理解魚類的生態行為提供了新的視角。在河流和海洋中，魚類選擇特定位置停留或遷徙的原因，可能與它們對水流特性的利用有關。這對于魚類保護和漁業管理都有重要意義。

2024年搞笑諾貝爾物理學獎的這項研究看似荒誕，實則深具啟發性。它提醒我們，科學探索中處處有驚喜，哪怕是一條死魚，也能揭示自然界的奧秘。這項研究不僅加深了我們對流體動力學的理解，也展示了生物如何巧妙地適應和利用環境。

下次當你在水族館或河邊觀察魚類時，不妨多留意它們的游動方式。也許你會發現，在看似簡單的擺動背后，隱藏著流體動力學的精妙奧秘。而這些奧秘，正在啟發我們創造更智能、更高效的未來科技。

參考文獻：

1. James C. Liao, Neuromuscular Control of Trout Swimming in a Vortex Street: Implications for Energy Economy During the Kármán Gait

2. David N. Beal et. al., Passive Propulsion in Vortex Wakes

來源: 中國科普博覽

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