「射水魚」在4%秒內完成狩獵,噴射的水柱在加速,「違背了物理常識」?

花樱 2022/06/07 檢舉 我要評論

射水魚是不可思議的生物。它們潛伏在河流和海洋的水面之下,等待昆蟲停落在水面上的植物上。然后,突然間,以令人難以置信的準確性,噴出一股水柱擊中昆蟲。在昆蟲掉進水里之前,射水魚就已經游到掉落點,等著將昆蟲吞下去。

這不得不讓人驚嘆,自然界竟有如此生物,它們用一種近乎奇跡般的狩獵方式,讓獵物死于「水槍噴射」。于是,人們給射水魚冠以了,手槍魚、高射炮魚、黃金高射炮、水中狙擊手等一系列別樣稱謂!而且由于它們的神奇捕食方式,即使明知射水魚很難飼養,依然讓養魚愛好者對它們趨之若鶩。

從技術上講,「射水魚」并不是指某一種魚,而是指射水魚科射水魚屬下多種魚類的統稱。它們都是物理領域方面的大師,這不但表現在攻擊獵物的精準上,而且獵物被擊中后僅僅十分之一秒,它們就會迅速游到獵物要落水的地方,極其精確。

射水魚是如何做到的?這在長久以來一直是研究人員試圖破解的謎題,因為對于一條平均體長在20厘米左右,甚至幾厘米的射水魚來說,它們必須在此過程中解決一系列復雜的物理難題。

首先,射水魚要解決獵物的定位問題。

因為當射水魚噴水時,它們的眼睛是在水下的。如果你還記得小學課本上「筷子放到水中的實驗」,或者經常游泳,就會知道光線進入水中會發生彎曲,我們稱之為折射現象。

在1621年,人類數學家首次通過斯涅爾定律精準地確定了折射常數規律。而這些不起眼的小魚顯然走在了人類的前面,它們不但了解折射,而且能夠無差別地校正折射。

這可不是一個不起眼的校正,因為射水魚噴出的水柱不是直線飛行的,地球引力會把它變成拋物線。很顯然射水魚明白這一點,它們知道自己噴出水柱的運行路徑,然后使水柱準確擊中目標。

在實驗中,研究人員發現射水魚校正水柱的數值隨目標的高度不同而不同。它們不僅會以典型的約74度角噴射水柱,而且還會以其他角度噴射。

舉例來說,當目標獵物高度達到10厘米時,射水魚噴出的水柱落差在0到2厘米之間。當這個高度達到30厘米時,落差范圍在2到15厘米之間。也就是說,射水魚通過精確地調整其噴出水柱的角度和速度,解決了一個在現代人看來都極具挑戰性的物理問題。

其次,射水魚要解決噴出的水的動力問題。

在噴射之前,射水魚會用舌頭頂著上顎形成一個管道,然后迅速閉合鰓蓋,使管內的水承壓并噴出。大多數射水魚能夠在1.5米的范圍內準確噴射水柱,而一些體型較大的噴水魚可以將這個范圍擴大到2-3米,甚至更高。

整個噴射過程看似如小孩子常玩的水槍一樣簡單,而事實卻比我們想象中要復雜得太多。射水魚的噴射行為并不只是一個簡單動作,它們會根據目標的大小和距離調整噴出的水量,并在開閉鰓蓋動作的時機上進行精細的調整。

與此同時,射水魚還會通過調整噴射力量和噴射方式等,以最節約成本的方式實現對獵物最精準和有效打擊。

舉幾個例子,有研究人員曾通過物理實驗,試圖找出水柱從魚嘴里到獵物目標的速度有多快?然后發現射水魚的整個噴射狩獵過程發生在4%秒內,比眨眼的時間約快10倍。

射水魚噴射水柱的慢鏡頭(速度降低了約14倍)。

而更驚人的是,研究人員將噴出水柱的運行軌跡和速度以網格式標記后,發現水柱越向高處運行速度越快!

大家感受到奇怪的地方了嗎?這與籃球或子彈形成了鮮明的對比,當投籃或子彈向上發射后,由于重力和空氣阻力,它們都會減速,而射水魚卻「違背」了這一物理常識,這怎麼可能?

研究人員最初發現這一點時,也懷疑是不是他們搞錯了,然而,大量的實驗數據反復證明,水柱噴出后的確在加速。同時研究人員還驚訝地發現射水魚是通過一些流體動力學的原理,來實現這一點的。

下面是它的工作原理。

第一個原理。當射水魚從嘴里噴出一股水時,它能確保水的尾端比前端移動得更快。想象一下,你正在排隊,后面的人開始向前沖,會發生什麼?同樣,水流前端會被尾端快速追上并被壓扁。這對射水魚來說不是好事,因為水越分散,擊中目標獵物的壓力就越小。

第二個原理。一種物理現象(瑞利不穩定性)可以平衡水向外擴散。

就這兩種原理而言,任何一種對射水魚都沒有多大用處。但當它們合在一起時,就會產生強大的物理變化。由于水的表面張力,前端的水在壓力下分解成水滴,但射水魚確保了后面的水柱比前端移動得更快。當后面的水趕上前面較慢的水時,它們會合并成一個更大的水珠,而且比之前移動得更快,并在更短的時間內以更大的力量攻擊目標。

這不僅僅是一個巧妙的技巧,這也是射水魚捕獵策略的關鍵。在近距離,噴射出的水柱產生的力量不足以擊倒一只昆蟲。但通過這種力量放大的技巧,射水魚可以達的打擊力量,是任何同體型脊椎動物肌肉所能產生力量的五倍以上。

射水魚的神奇到這里還沒有結束。在一系列的實驗室中,成年射水魚幾乎可以擊中任何固定目標。但是,如果這些目標始終沒有獎勵,它們也會停止攻擊,而是轉向獲得獎勵的其他目標。

另外,研究人員還發現,成年射水魚不擅長攻擊移動目標,即使是緩慢移動的目標它們的精準度也不高。不過,射水魚噴射移動目標的精準度是可以訓練的,而且它們還會相互學習。

被訓練過的射水魚擊中移動目標的精準度可以超過50%以上。更有趣的是,射水魚可以通過頻繁地練習或觀察其他能擊中移動目標的同類,提升或學習到這項技術。目前還不清楚射水魚是通過什麼來處理這些信息,也不清楚它們在學習這項技術時是盯著移動的目標,還是盯著正在狩獵的射水魚,但它們在這種學習中受益良多。

射水魚運用了運動、重力、光學和流體動力學等實用的物理知識捕獵,毫不費力地解決了可能讓一名物理學學生都睡不著覺的復雜問題。射水魚利用大自然賦予它們的科學天賦,在水下時刻瞄準目標射擊,永遠不會耗盡「彈藥」。


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