鱼为什么生活在水里?鱼鳍是鱼游动的主要动力来源吗？|当前快看

在生活中，很多人都不知道鱼儿为什么会游（鱼为什么生活在水里?） 是什么意思，其实他的意思是非常简单的，下面就是小编搜索到的鱼儿为什么会游（鱼为什么生活在水里?） 相关的一些知识，我们一起来学习下吧！

(资料图片仅供参考)

鱼为什么会游泳？(鱼为什么生活在水里？)

出品:科普中国

*** :苏成宇

监制:计算机 *** 信息中心

这似乎是一个合情合理的问题:“因为鱼有鳍，就像人有脚一样，所以鱼会游泳”。

如果你觉得这句话很麻烦，你甚至可以用“因为它是鱼，所以它会游泳”来回答。

但这真的是事实吗？鱼鳍是鱼游动的主要动力来源吗？

如果深入挖掘，你会发现这个问题其实并不简单。

来源:吉菲动画

很久以前，人们就意识到游泳是动物最省力的运动。

走路、飞行和游泳。如果你必须选择一种方式从A点到B点，你会选择什么？

我想大多数人会选择坐飞机。

的确，对于个人来说，坐飞机是最快的运动方式，但如果仅从能量消耗的角度考虑，坐飞机并不是更优解。

科学家发现，松鼠爬行1公里需要22.73焦耳的热量。海鸥飞行时需要消耗6.07J的热量；游泳的三文鱼只需要1.63J的热量，只有松鼠的1/20左右，海鸥的1/6。

即使你找到一个和三文鱼一模一样的物体，以同样的速度放入水中拖动1公里，科学家发现，游动的三文鱼消耗的能量只有前者的1/7-1/8。

显然，游泳是动物最省力的方式。

既然鱼游泳的效率如此之高，人类肯定会想模仿它，制造一种水下推进装置，以和鱼一样的方式运动。

你可能会想，我们不是已经有潜艇了吗？

但即使是最快的核潜艇，由螺旋桨推进，速度也只有44.7节，即每小时80.4公里。水中最快的旗鱼能以每小时112公里的速度游动。

不仅仅是速度，潜艇推进的噪音和能耗也很大，螺旋桨高速旋转也会产生空冲蚀效应，导致螺旋桨磨损。

所以人类一直想模仿鱼的游泳方式，设计更先进的水下下载工具，这就是仿生。

但要想模仿，首先要了解鱼游动的原理。

那么之一个问题来了。应该选择哪种鱼作为研究对象？

如果你仔细观察鱼的运动，你会发现大多数鱼的运动方式都是一样的:它们利用尾巴和身体肌肉的收缩来有规律地左右扭动，这在技术上被称为身体和/或尾鳍推进模式(BCF)。

鱼如何游泳|来源:https://tpwd.texas.gov/kids/wild _ things/fish/howdofishswim . phtml

科学家发现，对于不同的鱼，扭动的幅度和频率是不同的，但核心在于扭动。

当然，鳍的摆动在游泳中也有一定的作用，主要是调整方向，主要的动力来自于身体的扭动，尤其是在鱼快速移动的时候。

所以鱼鳍不是鱼游动的主要动力来源，而是躯干的扭动。

不同的鱼有不同大小和形状的鳍|来源:https://tpwd.texas.gov/kids/wild _ things/fish/howdofishwim . phtm

由于鱼的主要运动方式取决于躯干的扭动，所以研究它们扭动的细节是有好处的。

前面说过，不同的鱼摆动幅度不同，有的大，有的小。扭转幅度大的叫波浪型，扭转幅度小的叫摇摆型。不

无论分类如何，这两种推进方式在基本运动原理上是相同的。

不同的鱼扭动方式不同|来源:文献3

作为科学研究，必须优先选择摆动幅度大的鱼作为研究对象，因为摆动幅度越大，越容易观察到摆动的细节。

哪种鱼摆动幅度更大？

自然是像黄鳝、黄鳝这样的长鱼，因为体型越长，肌肉收缩产生的波动越明显。

鳗鱼的运动方式主要靠身体的波浪运动|来源:giphy动画

所以很早的时候，科学家们就用鳗鱼等长鱼做实验，主要是用高速摄影来拍摄它们的运动。

用摄影技术研究鱼的运动有很大的局限性。

这条鱼是免费的。它在水箱里随心所欲地游来游去，并不做出特定的动作来满足科学家的研究需求。

为了定量分析鱼在游动过程中的振幅、频率、前进速度等参数，有科学家设计了一种机械装置，可以让一条死鱼在波浪中游动。

这个装置通过将一根长杆插入鱼体内，然后摇动装置上的凸轮来控制鱼的动作。

当凸轮转动时，移动杆将驱动鱼产生预定的波浪运动。

这样科学家就可以让鱼按照自己想要的方式移动，研究具体参数也更方便。

记录鱼运动的方式有很多种，但无论什么研究方法，最终都要总结成理论模型，才能了解运动的具体机制。

通过观察科学家发现，鱼在游泳过程中，肌肉会自始至终收缩，身体会一个个弯曲，产生向后的运动波，进而推动水流向前。

三文鱼的肌肉顺序|来源:https://tpwd.texas.gov/

至于这种推力是如何产生的，主要有两种理论来解释:

阻力理论和细长体理论(E *** )

阻力理论

这是由英国物理学家杰弗里·泰勒在1952年提出的。在阻力理论中，一个物体会被分成无限小的部分，每个部分都会产生推力和阻力。

当鱼在波浪中运动时，垂直于鱼体的阻力大于平行于鱼体的阻力。结果，在平行方向，即向前方向上产生推力。

理论|资料来源:AIP出版

细长体理论

英国数学家詹姆斯·莱特希尔(James Lighthill)于1960年提出，与之前的阻力理论完全不同。他认为水的惯性是推动鱼前进的主要力量。

这使得鱼体作为一个平面，可以通过小幅度的波动产生推力。

这两种理论的主要区别在于产生的力的类型。

泰勒理论认为，使鱼向前游的力是由阻力引起的，阻力的作用方向与鱼的运动方向相反，但与物体的运动速度一致；莱特希尔认为鱼向前游的力是由反作用力产生的，其作用方向与作用力相反，与加速度一致。

后来，北京计算机科学研究中心的一个团队通过超级计算机模拟验证了这两个理论。

之后发现两种理论都是对的，只是不同鱼的情况不一样。

这主要和鱼的形状有关。对于一条很长的鱼，比如鳗鱼，在波动的时候，躯干部分产生的阻力是最重要的，因为这部分力作用的比较平稳均匀。

模拟鳗鱼的主要运动方式|来源:文献1

至于鲭鱼这种常见的鱼类，虽然摆动时也要靠躯干的阻力，但尾鳍左右摆动产生的反作用力也很重要。

模拟鲭鱼的运动|来源:文献1

简单来说，身体越长，鱼越依赖躯干产生的力，而身体越短，鱼越依赖尾鳍产生的力。

把力量移到尾巴上的鱼有一个缺点，就是容易让鱼失去横向平衡，也就是一摆尾巴就可能导致头部摇摆。

在这方面，鲅鱼已经进化到抬高身体中间的垂直面，增加躯干前方的重量(也可以说是增加配重)，以增加左右摆动的阻力，避免游泳时偏身。

虽然科学家们最终弄清楚了鱼是如何游动的，但他们并不了解鱼游动过程中能量是如何转移和利用的，这也是为什么直到现在，我们还无法创造出一种完美的仿生鱼游动装置。

虽然之前 *** 的仿生鱼可以模拟鱼的游泳效果，但还是存在很多问题:要么游得太慢，要么耗电太多，要么体型太大，要么结构复杂。

各种仿生鱼|来源:文献2

游泳很容易看到，但即使是我们身边的普遍现象，也很难理解其中的原理，更难复制。

在大自然面前，人类的知识真的很少…

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