李梅

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

水母“賽車”的奧秘

說起水母，大家腦中就浮現(xiàn)這樣一個(gè)形象：大大的腦袋、細(xì)細(xì)的“手腳”，一個(gè)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(shí)，之所以說水母的游動(dòng)很高效，并不是因?yàn)樗蔚糜卸嗫?，而是因?yàn)樗惶煊蝿?dòng)數(shù)千米，而且它游動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(xué)家的高速攝影機(jī)鏡頭下一覽無遺。水母被養(yǎng)在玻璃水箱中，高速攝影機(jī)記錄下了它游動(dòng)時(shí)的每一個(gè)細(xì)節(jié)。當(dāng)水母收縮它的鐘狀體（頭部像傘一樣的圓盤形結(jié)構(gòu)）時(shí)，水流被吸近它的身體，周邊形成了一個(gè)低壓區(qū)，流體具有從高壓區(qū)向低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)的特性，于是水母就被逆推向前。這還沒完，前進(jìn)后的水母隨之放松鐘狀體，后方的高壓水流就會(huì)涌向水母，這給水母提供了第二波前進(jìn)的動(dòng)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(gòu)造，放松鐘狀體時(shí)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(dòng)。

如果對這種速度還不滿足，水母還有一個(gè)絕招——制造“甜甜圈”。水母會(huì)在不同的位置快速收縮以產(chǎn)生兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的水下渦流環(huán)，它們相互碰撞擠壓，產(chǎn)生一股新的沖力推動(dòng)水母前進(jìn)。在這股力的作用下，水母的游泳速度增加了41%，每個(gè)收縮舒張周期的累積移動(dòng)距離增加了61%。科學(xué)家觀察到，在水母的鐘狀體邊緣長著一圈圈環(huán)狀的肌肉組織，這是水母輕松攪動(dòng)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(shí)上，這樣的“甜甜圈”正是飛機(jī)飛離地面的一大動(dòng)力。飛機(jī)起飛前，飛機(jī)與地面之間有一團(tuán)被強(qiáng)烈擠壓的空氣，這團(tuán)空氣給飛機(jī)提供了反向的升力，飛機(jī)得以起飛。而水母的兩個(gè)反向“甜甜圈”互相碰撞，形成了像機(jī)翼與地面相互作用那樣的渦流環(huán)，水母處在兩個(gè)渦流環(huán)的中心處，接收到了向前和向上的推力。

冷戰(zhàn)期間，蘇聯(lián)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(jī)，卻又緊貼海面，就像一只海上航行的船舶，航行一段時(shí)間，倏忽一下它就飛上了天。這到底是飛機(jī)還是船？船并不會(huì)飛，而我們常見的飛機(jī)都是從陸地上起飛的，在軟軟的海面上飛機(jī)是怎么起飛的呢？

這種交通工具的學(xué)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(jìn)行地效飛行器試驗(yàn)至今，人類對地效飛行器的理論研究和實(shí)踐試驗(yàn)已有了上百年的歷史，其所運(yùn)用的原理正與水母的“甜甜圈”相同。這個(gè)原理被稱為地面效應(yīng)，說的是運(yùn)動(dòng)物體貼近地面運(yùn)行時(shí)，地面對物體產(chǎn)生的空氣動(dòng)力干擾，簡單地說，就是當(dāng)運(yùn)動(dòng)的物體靠近靜止的地面時(shí)，它并不會(huì)直接墜到地上，物體攪動(dòng)空氣，地面與物體之間的空氣會(huì)對物體產(chǎn)生一個(gè)反向作用力，因此物體會(huì)在近地面飄蕩一段時(shí)間。一個(gè)簡單的小實(shí)驗(yàn)就可以讓我們看到地面效應(yīng)的存在：將一張紙巾從高空拋下來，它接近地面時(shí)會(huì)在上方飄蕩一段時(shí)間而不是直接墜落。

運(yùn)用地面效應(yīng)，飛機(jī)就可以在軟軟的海面上起飛。當(dāng)飛行器貼近地面或水面飛行時(shí)，飛行器加速，機(jī)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(jī)翼上的壓力差明顯增大，使升力陡然增大，于是飛機(jī)就被“托”了起來。

地效飛行器與普通飛機(jī)相比，有很多優(yōu)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(jī)動(dòng)性好，且能到達(dá)一般船舶和飛機(jī)難以到達(dá)的島嶼和水域，在貨運(yùn)、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(zhuǎn)向降落時(shí)的穩(wěn)定程度也有待提高，直到如今也沒能像陸地飛機(jī)那樣普遍。

在發(fā)現(xiàn)水母制造“甜甜圈”的能力后，研究地效飛行器的科學(xué)家也許可以向水母學(xué)習(xí)，如何運(yùn)用“甜甜圈”讓飛行器飛得更快更穩(wěn)。

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(jīng)，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(xiàn)代賽車正往更快更穩(wěn)的方向持續(xù)發(fā)展。

我們知道，賽車最重要的就是速度，那種風(fēng)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(xì)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?？墒枪こ處焸兒芸炀桶l(fā)現(xiàn)這些方法并不實(shí)用，這樣制出來的賽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)很容易側(cè)翻，減速時(shí)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(shí)增加穩(wěn)定程度呢？

地面效應(yīng)的另一面幫助了他們?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)改變機(jī)翼的高度和角度時(shí)，機(jī)翼附近氣體的流速和壓力會(huì)發(fā)生改變。如果機(jī)翼向下傾斜，即機(jī)翼后緣非常接近地面時(shí)，氣體會(huì)被堵在機(jī)翼下方，導(dǎo)致機(jī)翼下方的壓力提高，這直接提高了升力;反過來，將機(jī)翼向上傾斜，流經(jīng)機(jī)翼下方的氣體減少，上方的氣體向下壓，飛機(jī)的抓地力就會(huì)提高。如果將這種倒置的機(jī)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(jī)翼（賽車中稱為尾翼），被分流的空氣對賽車產(chǎn)生了下壓力，當(dāng)賽車再進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)，這個(gè)下壓力對賽車產(chǎn)生的阻力與轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的離心力相互抵消，大大減少了側(cè)翻的發(fā)生。1970年，美國賽車公司雪佛蘭更是將地面效應(yīng)運(yùn)用到極致，他們在汽車尾部裝了兩個(gè)渦扇，運(yùn)行時(shí)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?yàn)闀?huì)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(kuò)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(xiàn)在仍是各大賽車公司的研究重點(diǎn)。

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(huì)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生不同的作用效果。想要將“甜甜圈”運(yùn)用自如，我們還要多加研究。

賽車尾翼有利于提高抓地力