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海豚为什么游得这么快 超级电脑给出答案
海豚为什么游得这么快 超级电脑给出答案海豚为什么游得这么快 超级电脑给出答案
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。不过就目前而言，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。
示意图 (Shutterstock)
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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。
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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。不过就目前而言，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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