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海豚为什么游得这么快 超级电脑模型给出答案

发布时间: 2026-05-10 19:05:07    最后更新: 2026-08-30 06:46:28    阅读:317  约3 分钟阅读     

【中国观察北京时间2026年05月07日讯】海豚以在水中游得又快又灵活而闻名,但究竟是什么让它们能如此高效地游泳呢?多年来,科学家一直在研究这个问题,希望能从这些优雅的生物身上学习如何优化流体中的推进方式。

当海豚游泳时,它会上下摆动尾鳍,做出类似踢水的动作。这种动作会把水向后推,进而在产生一股湍流(turbulent flow,又称紊流),其中充满各大小不一的旋涡。直到现在,人们一直难以厘清这些复杂的流体运动究竟是如何协同作用,推动海豚向前游动的。

超级电脑揭示隐藏的水流模式

在3月10日发表于《物理评论‧流体》(Physical Review Fluids)期刊的一篇论文中,来自大阪大学(University of Osaka)的研究人员揭示了答案中的关键部分:由海豚尾部运动所产生的巨大且强劲的涡旋(vortices)。研究团队利用大规模数值模拟,视觉化了这些涡旋在各种条件下的动态过程,并量化了它们对推进力的影响。

“我们的目标是了解湍流中的哪些部分能帮助海豚游得如此之快。”第一作者本告游太郎(Yutaro Motoori)表示,“透过超级电脑,我们可以模拟并分解该水流,借此判断哪些成分起到了主导作用。”

数值模拟(点击这里观看)显示,海豚摆动的尾鳍会产生强烈的大尺度涡环(vortex rings),这些涡环将水向后推动,进而产生推力。接着,这些大型涡环会透过一种称为“能量级联”(energy cascade)的过程,产生更小的涡环。虽然这些较小的涡环数量众多,但它们对海豚向前运动的贡献其实非常有限。

“我们的研究结果表明,湍流中涡旋的层级结构,对理解海豚游泳机制至关重要”,资深作者后藤晋(Susumu Goto)解释道,“最大的涡旋负责大部分的推进力,而较小的涡旋主要只是湍流的副产物。”

从海豚物理学到新技术

研究团队的方法使他们能够细致观察流体运动,而在现实世界的实验中,这些细节几乎是不可能捕捉到的。此外,由于使用了灵活的计算方法,在不同条件下进行多次模拟试验也变得相当容易。

“我们发现,即便在各种不同的游泳速度下,我们的研究结果都保持一致。”本告表示。

在未来,对这种推进机制的理解,可能有助于指导速度更快、能源效率更高的水下机器人设计,以及开发湍流控制(Turbulence Control)的相关技术。不过就目前这项研究已经证明:物理学确实是一门能够“激起水花”(make a splash,取得亮眼成就)的精彩学科。

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