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[探究]蚊子缘何没有内雨滴砸死?
2015-04-12 12:05:42  来源:果壳网  作者:佚名  关注:  点评:0点击收藏
龙媒网(www.longmeicn.com):

  2015年菠萝物理奖颁给了美国佐治亚理工学院胡立德教授的研究组,以表彰他们发现了蚊子不会被雨滴砸死的诀窍 。为什么这样的研究都可以发表?它又是凭什么能获得菠萝科学奖呢?这篇解读将会揭晓答案。 

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  漫漫细雨对我们来说时常是浪漫而惬意的象征,可你有没有想过,对体积微小的昆虫,譬如蚊子来说,雨中漫步简直就是一场灾难大片。一滴雨珠的重量可以达到蚊子体重的50倍之多,在蚊子眼中,我们口中的“毛毛雨”,不下于一辆辆甲壳虫汽车从天而降!可惜的是,在如此漫天高速飞落的“甲壳虫汽车”雨中,蚊子依然能够嗡嗡作响而毫发无损。是什么赋予了它们如此神通?

  为了破解这一谜题,美国佐治亚理工学院的胡立德教授与美国疾病控制中心合作,对雨中飞舞的蚊子进行了高速摄像,以便仔细观察蚊子被雨滴击中瞬间的行为。

  这可不是一件容易的事情:首先,要从几米高的距离外让雨滴开始加速并准确“击中”蚊子简直是不可能的任务,“守株待兔”等蚊子被“人工降雨”自然击中的概率也微乎其微。研究员们于是采用了“水枪打蚊群”的策略,将数以百计的蚊子装入一个细高的透明容器中,从容器顶端用高速喷头向蚊群发射与自然界中雨滴速度相仿(大约每秒9米 )的“模拟雨滴”,以增加蚊子被“雨滴”击中的概率。

  同时,由于蚊子与雨滴在瞬息之间便擦身而过,如何让实验设备自动而准确地捕捉这一时刻成了另一个亟需解决的问题。研究员们想出的办法是,在蚊子飞行高度的上方设置一道“激光封锁线”,雨滴穿过激光线时,便触发高速相机开始以每秒4000帧的速度拍摄,详细记录蚊子与雨滴相互作用中的每一个动作。

  通过拍摄下的高速视频,胡立德教授与他的研究小组分析并归纳了雨滴击中蚊子不同部位的各种情况,计算出了蚊子在遭遇雨滴的瞬间所受的作用力,以及其后随雨滴向下移动的距离。他们发现,蚊子不像我们可能推测的那样能够躲避雨滴,但被雨滴击中的蚊子也不会受到冲击带来的伤害。蚊子的秘诀,就在于它们体重极轻。

  研究小组拍摄的高速视频显示,蚊子被雨滴击中时并不抵挡雨滴,而是与雨滴融为一体,顺应雨滴的趋势落下。当雨滴击中蚊子翅膀或腿部时,蚊子会向击中的那一侧倾斜,并通过高达50度的高难度“侧身翻滚动作”让雨滴从身侧滑落。而当雨滴直接击中蚊子身体时,蚊子先顺应雨水强大的推力与之一同下落,随之迅速侧向微调与雨滴分离并恢复飞行。

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  图A展示了实验用的模拟雨滴与蚊子的相对大小;图B为实验装置示意图;图C和图D是视频中的一系列截图,显示了蚊子被雨滴击中后迅速作出高难度的“侧身翻滚动作”让雨滴从身侧滑落。

  研究小组发现,若是雨滴击中蚊子时,蚊子栖息于无法移动的地面上,雨滴的速度将瞬间减小为0,并施加等同于蚊子体重10000倍的力在蚊子身上,足以致命。而当蚊子在空中被击中并采用“不抵抗”策略时,蚊子受到的冲击力就减小为自重的50-300倍,只相当于在蚊子身上压了一根羽毛——这是蚊子所能够承受的。两者之间的区别,就如同“一拳打在钢板上”和“一拳打在棉花上”。

  虽说蚊子看似柔弱如风中浮萍被雨滴砸得摇晃不定,但正是由于蚊子的重量微不可记,在与雨水碰撞的过程中,雨滴几乎没有减速,动能并未转化为能量击打在蚊子身上,而是让蚊子瞬间加速,从而化解了高速下降的雨滴带来的巨大冲击。这就像是“以柔克刚”, 达到“四两拨千斤”的效果。 想不到小小的蚊子还个个是太极高手呢!

  除了避免冲击带来的伤害,蚊子雨中求生的另一秘诀则是它们疏水性的细毛。覆满防水细毛的身体使得蚊子在随着雨滴下落的过程中与雨滴保持分隔状态,从而能够迅速摆脱雨滴重新飞起,在雨滴将它们砸落地面造成致命伤害前逃出生天。

  胡立德教授的这一发现被发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,并引起了广泛关注。事实上,这项研究不只是跟蚊子有关。在对于自然界的应对之道上,动物往往有着比我们更丰富的经验,并在千万年的进化过程中发展出了适合它们生存环境的结构和功能。研究和模拟这些动物应对大自然的特殊本领,可以为我们的科学家和工程师提供新的设计思想,解决机械技术上的很多难题——比如,如何更好地设计微型飞行器,让它们能够像蚊子一样,在雨中轻盈地翱翔。(编辑:Steed)

  参考文献

  Andrew K. Dickerson, Peter G. Shankles, Nihar M. Madhavan, and David L. Hu. (2012). Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass. Proceedings of the National Academy of Sciences. doi:10.1073/pnas.1205446109
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