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海豚為什麼游得這麼快 超級電腦給出答案
海豚為什麼游得這麼快 超級電腦給出答案海豚為什麼游得這麼快 超級電腦給出答案
海豚以在水中游得又快又靈活而聞名，但究竟是什麼讓它們能如此高效地游泳呢？多年來，科學家壹直在研究這個問題，希望能從這些優雅的生物身上學習如何優化流體中的推進方式。
當海豚游泳時，它會上下擺動尾鰭，做出類似踢水的動作。這種動作會把水向後推，進而在產生壹股湍流（turbulent flow，又稱紊流），其中充滿各大小不壹的旋渦。直到現在，人們壹直難以厘清這些復雜的流體運動究竟是如何協同作用，推動海豚向前游動的。
超級電腦揭示隱藏的水流模式
在3月10日發表於《物理評論‧流體》（Physical Review Fluids）期刊的壹篇論文中，來自大阪大學（University of Osaka）的研究人員揭示了答案中的關鍵部分：由海豚尾部運動所產生的巨大且強勁的渦旋（vortices）。研究團隊利用大規模數值模擬，視覺化了這些渦旋在各種條件下的動態過程，並量化了它們對推進力的影響。
“我們的目標是了解湍流中的哪些部分能幫助海豚游得如此之快。”第壹作者本告游太郎（Yutaro Motoori）表示，“透過超級電腦，我們可以模擬並分解該水流，借此判斷哪些成分起到了主導作用。”
數值模擬顯示，海豚擺動的尾鰭會產生強烈的大尺度渦環（vortex rings），這些渦環將水向後推動，進而產生推力。接著，這些大型渦環會透過壹種稱為“能量級聯”（energy cascade）的過程，產生更小的渦環。雖然這些較小的渦環數量眾多，但它們對海豚向前運動的貢獻其實非常有限。
“我們的研究結果表明，湍流中渦旋的層級結構，對理解海豚游泳機制至關重要”，資深作者後藤晉（Susumu Goto）解釋道，“最大的渦旋負責大部分的推進力，而較小的渦旋主要只是湍流的副產物。”
從海豚物理學到新技術
研究團隊的方法使他們能夠細致觀察流體運動，而在現實世界的實驗中，這些細節幾乎是不可能捕捉到的。此外，由於使用了靈活的計算方法，在不同條件下進行多次模擬試驗也變得相當容易。
“我們發現，即便在各種不同的游泳速度下，我們的研究結果都保持壹致。”本告表示。
在未來，對這種推進機制的理解，可能有助於指導速度更快、能源效率更高的水下機器人設計，以及開發湍流控制（Turbulence Control）的相關技術。不過就目前而言，這項研究已經證明：物理學確實是壹門能夠“激起水花”（make a splash，取得亮眼成就）的精彩學科。
示意圖 (Shutterstock)
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還沒人說話啊，我想來說幾句
當海豚游泳時，它會上下擺動尾鰭，做出類似踢水的動作。這種動作會把水向後推，進而在產生壹股湍流（turbulent flow，又稱紊流），其中充滿各大小不壹的旋渦。直到現在，人們壹直難以厘清這些復雜的流體運動究竟是如何協同作用，推動海豚向前游動的。
超級電腦揭示隱藏的水流模式
在3月10日發表於《物理評論‧流體》（Physical Review Fluids）期刊的壹篇論文中，來自大阪大學（University of Osaka）的研究人員揭示了答案中的關鍵部分：由海豚尾部運動所產生的巨大且強勁的渦旋（vortices）。研究團隊利用大規模數值模擬，視覺化了這些渦旋在各種條件下的動態過程，並量化了它們對推進力的影響。
“我們的目標是了解湍流中的哪些部分能幫助海豚游得如此之快。”第壹作者本告游太郎（Yutaro Motoori）表示，“透過超級電腦，我們可以模擬並分解該水流，借此判斷哪些成分起到了主導作用。”
數值模擬顯示，海豚擺動的尾鰭會產生強烈的大尺度渦環（vortex rings），這些渦環將水向後推動，進而產生推力。接著，這些大型渦環會透過壹種稱為“能量級聯”（energy cascade）的過程，產生更小的渦環。雖然這些較小的渦環數量眾多，但它們對海豚向前運動的貢獻其實非常有限。
“我們的研究結果表明，湍流中渦旋的層級結構，對理解海豚游泳機制至關重要”，資深作者後藤晉（Susumu Goto）解釋道，“最大的渦旋負責大部分的推進力，而較小的渦旋主要只是湍流的副產物。”
從海豚物理學到新技術
研究團隊的方法使他們能夠細致觀察流體運動，而在現實世界的實驗中，這些細節幾乎是不可能捕捉到的。此外，由於使用了靈活的計算方法，在不同條件下進行多次模擬試驗也變得相當容易。
“我們發現，即便在各種不同的游泳速度下，我們的研究結果都保持壹致。”本告表示。
在未來，對這種推進機制的理解，可能有助於指導速度更快、能源效率更高的水下機器人設計，以及開發湍流控制（Turbulence Control）的相關技術。不過就目前而言，這項研究已經證明：物理學確實是壹門能夠“激起水花”（make a splash，取得亮眼成就）的精彩學科。
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