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鱼儿这样告诉我们——流体力学的魅力浅说（5）精选

已有 12939 次阅读 2011-6-26 21:23 |个人分类:科海随笔|系统分类:科普集锦| 鱼类, 游动, 旋涡动力学, CFD-计算流体力学

某年某月某日，鱼类新闻发言人海豚“小机灵”主持新闻发布会。出席发布会的有鱼类代表：金枪鱼、小黄鱼、鳗鱼、鲳鱼、带鱼、电鲶……，以及人类代表：中小学科学记者，成人只有一位：来自“CFD（计算流体力学）王国”的CJW教授。发布会的主题是：“鱼儿告诉人们：‘我们怎样游动？’”以下是发布会中的问答实录。

海豚“小机灵”：你们人类厉害，本事比我们鱼类大，但是，有一样本事却怎么也比不上我们：游泳。你们的“蛙王”、“蝶后”，跟我们鱼类一比，都得败下阵来。今天的新闻发布会的主题是：“鱼儿怎样游动？”这个题目很大，这次只是首场发布会。所有记者都可以自由提问。

小记者A：我们发现，你们鱼类总是在不知疲倦地游动，你们向前游动的推力是怎样产生的？长途游动的秘诀何在？

“小机灵”：你们一定注意到了，我们鱼类尽管形状各不相同，但大多数生有鱼鳍：尾鳍、胸鳍、背鳍……，最要紧的是尾鳍。我们以一定的频度和幅度摆动全身，特别是尾鳍。摆动尾鳍产生的推力，占向前运动的推力的60%以上，配合其它鱼鳍和身体的动作，我们就能自如地游动了。

小记者A：那么推力是怎么产生的？

“小机灵”：我们鱼儿都是玩旋涡的能手。

小记者B：这个我知道，我看过美国人拍摄的科普电影，就拍你们海豚戏水的镜头，你们会不断吐出漂亮的“涡环”，会把小涡环合成大涡环，还会从大涡环里穿过去。

“小机灵”：那只是雕虫小技，闹着玩的。我们的尾鳍拍水，泻落一串串旋涡。我们会掌握摆频、摆幅，生出有用涡列（你们人类把它称为“反卡门涡街”），就会给水很大的后推力。你们都学过牛顿第三定律吧！这么一来，我们身后的水对鱼身就有反作用力，这就是推力。给你们看一张照片，你可以看到摆尾产生的涡列；还有一张照片是CFD人用计算机仿真出来的。

小记者C：那么你们鱼儿怎样控制游动方向的？你们的“舵”在哪里？

“小机灵”：在头部，鱼儿的脑袋是“舵”……

小记者C：怎么会呢？我看到的船舵都在尾部呀！人们一说起“舵”，总是说“尾舵”呀！

“小机灵”：我们鱼儿跟船不一样，船身硬梆梆的，要它转头不便当，哪像我们的身子柔软、头部灵活！不过，你见过江南的乌篷船吗？船尾艄公摇橹，船头的小伙子点篙，那个篙有一点像长在船头的“舵”。

小记者C：我还是不信。你们鱼儿拐弯时不是不断摆尾吗？不是舵是什么？

“小机灵”：你怎么忘了你们老师的话了：实践出真知，而且看事情要搞清因果。来，小黄鱼朋友，出来示范一下。

小黄鱼“精灵”：请大家注意我的脑袋！（脑袋一侧转，转向顺利完成）。

“小机灵”：这回相信了吧！为了使得你们相信，这里有一张仿真图，是发布会前CFD人CJW给我的。这六张小图显示了我们鱼儿拐弯的过程。

CJW：是的，是我们用计算机模拟出来的。

“小机灵”：CJW大哥那里还有更多的证据。

CJW：是啊！我们用计算机模拟鱼游时，让鱼儿只摆尾，不转头，它们就只会一股劲儿往前冲。只有摇头摆尾才能拐弯。

小记者D：我游泳时在水里拐过弯，可费劲了。你们老要拐弯，累不累呀！

小黄鱼“精灵”：你忘了，我们鱼儿是“玩涡”能手，我们从祖宗那里学会本事，头一侧转，就生出涡来，而且我们就只生“好涡”，不生“坏涡”，也就是说，只生出有利于产生转矩的涡，这是我们一出生就会的本事。

小记者C：那拐弯是就不用尾鳍了？

“小机灵”：当然不是。我们用小半个前身控制游动方向，用尾鳍产生更大的转矩，还控制拐弯的力度，也就是说，充分利用头部的“舵”的“因”，产生更大的“果”。所以，我们能机动灵活，来无影，去无踪。

小记者E：我来提一个新问题：你们鱼儿喜欢过群体生活，我们经常能看到大群的鱼，这是为什么？

“小机灵”：这个问题提得有水平。我们鱼类中，为了觅食，经常需要长途迁徙。单个鱼儿游，很费劲，更容易遭到不测。而且，我们鱼儿游动时喜欢“偷懒”，这就得成群结队地游。游着游着，就发现做“跟屁虫”省劲儿。

小记者E：怎么个跟法？

“小机灵”：这就说明“跟屁虫”的门槛有多精了！因为我们鱼儿天天跟旋涡打交道，知晓怎么利用“领游”的“头鱼”造出来的尾涡，明白在哪个位置游最省劲儿。根据我们鱼儿的经验，我们会利用好涡，躲开坏涡，还总结出一条规律：后鱼的鱼头离开前鱼的鱼头0.4个鱼身，游起来最省劲儿。CJW大哥，你说对不对？

CJW：对啊！这是我的学生细致计算出来的结果。

“小机灵”：可不是吗？请你们看这里发布的第一张照片，鱼群就是这么游的。

小记者F：听说CJW叔叔还会玩更多的花样？

“小机灵”：我也不知道为啥他这么能玩花样！大概他玩旋涡动力学的本事比我们高强，我们只有实践，不懂理论，他一天到晚用他的理论在“琢磨”我们怎么游动。听说近来他又在玩什么“拓扑优化”了，他说，月牙形的鱼尾不算最优，尾鳍里有个窟窿才更有效率。天哪！尾鳍里有窟窿，那不成了“怪鱼”了？他说，说不定再过多少万年鱼儿会进化成那个样子。反正我们海豚的尾鳍的端部是平的，而且上下扑腾，他还没有算计到我们。

小记者F：CJW为啥琢磨你们鱼儿游动？

“小机灵”：他不但琢磨鱼游，还老在思量鸟飞。听说，是为了研究仿生学。最早用流体力学研究鱼游的人当中有大权威赖特希尔，还有一位80多岁的老先生吴耀祖；CJW在国内还有好多同行，最老的同行童秉纲老先生也有80多岁了。你们人类就是厉害，什么时候我们鱼儿的本事全给你们学去了，可以做很多事情。这对我们鱼儿不知是祸是福。还好，虽说CJW如今生活在海边城市，却来自内地，不爱吃鱼，只是偶而抓几条小鱼，到实验室里去做什么PIV观测。

还有问题吗？没有了？好的，第一场“鱼儿游动”新闻发布会到此结束。谢谢各位。

小记者G：等一等，等一等，什么是PIV呀？

CJW：那是实验室里用的“粒子图像测速仪”，PIV是它的英文缩写，是一种流体力学实验测量和显示的先进仪器。

小记者们：谢谢CJW叔叔，我们看出来了，你是今天的新闻发布会的真正主角！

参考资料：

吴锤结，鱼教会了我们什么？http://aa.dlut.edu.cn/cjwu.html，复旦大学力学系“具有变形边界之流动问题”小型研讨会，2011年6月17～18。