人死了还能继续走的话,先不说《釜山行》和《行尸走肉》会不会变成纪录片,至少打工人的永动机就一步达成了。那么,鱼死了还能游么?实际上,是可以的。在十来年前,哈佛大学和麻省理工学院的研究者首次发现,有一种鱼在死掉后还可以像活着的时候那样继续游动,甚至可以逆流而上。这是一条死掉的虹鳟(Oncorhynchus mykiss)在游。
虹鳟是一种很常见的水产,它的肉和同科(鲑科)的大西洋鲑(老百姓理解的“三文鱼”)类似,因此曾被拿来冒充大西洋鲑,在我国曾引发巨大争议。因为具有经济价值,在被引入了许多国家后,虹鳟不出意料地变成了世界百大外来入侵种。鳟鱼死了也能逆流而上,这听起来真的很吓人,不懂流体力学的人。死掉的虹鳟继续游动并没有违反物理规律,相反,它正是依靠物理学才能变成游动的僵尸。这一切都要从一条叫做卡门涡的街开始。
当水或气体经过一根棒槌的时候,棒槌后方就会出现一连串左右交替的涡旋,这就是卡门涡街(Kármán vortex street)。临近的两个涡旋还会相互帮忙砍一刀,也就是发生相长干涉。这样的结果就是,在临近的两个涡旋之间还有一股朝着棒槌方向的逆行水流,把附近的水流往棒槌那儿撸。那么,逆行水流到何处终止呢?
那就是卡门涡街的末端,也就是棒槌直径2倍处,这里就是棒槌产生的抽吸区(suction region)的边界。这个能要人命的区域我们之前在介绍野外游泳禁区时也讲过(点我查看),小学生千万别尝试。但是和人类不同,虹鳟特别喜欢逛卡门涡街,喜欢追着抽吸区跑。
哈佛大学生物工程学家 James Liao 和同事发现,在前方出现卡门涡街时,虹鳟可以在抽吸区附近不费力地左右节奏摇摆,这种摇摆幅度很大,像扭秧歌的大妈,在水中不停地画8。虹鳟在卡门涡街后的风骚走位此前从来没有在其他鱼类中被发现,是独一无二的,因此被取名为卡门步态(Kármán gait)。Liao 和同事把相关研究发表在了2003年的《科学》以及其他学术期刊上。
更诡异的是,哪怕死掉的鳟鱼也可以在卡门涡街后游泳,甚至能逆流而上。死掉的鳟鱼在卡门涡街里的振动频率和它活着的时候一样,而且动态和活鱼没什么不同。死鱼还能死亡蹦迪,它们的“槌”死挣扎显然不是生物驱动的,而是流体驱动的。为了理解这种奇特的现象,Liao 在虹鳟的肌肉里安插了电极,用来测量肌肉电流,并据此推算它们游动时所花的能量。Liao 发现,实际上在卡门涡街后面,逆流而上比在静水中躺平要容易得多。
“逆水行舟,不进则退”的老话在虹鳟身上是谬论。他指出,在混沌的漩涡中游泳的虹鳟只用了一小丢能量,和顺流而下时没差多少,而且只动用了一小啾肌肉,无需大脑参与,因此死掉的鳟鱼也能猥琐地游起来,甚至能逆流而上。显然,卡门涡街能驱动虹鳟,给鳟鱼搓出进击的“魔法球”。这也能解释,不管活着还是死了,虹鳟在卡门涡街后面的扭动频率,以及头的摆角都是一样一样的。
当然了,活鱼和死鱼也不是完全没有区别:死鱼没有办法控制自己的运动,因此有时死鳟鱼在抽吸区内会撞上棒槌,然后弹回下游。另外,只有刚刚去世的虹鳟才能被卡门涡旋驱动,愉快地游起来,已经尸僵成棒槌的就不行了。因为在卡门涡街里游泳特别省力,虹鳟还会主动寻找卡门涡街,比如流水中的大石头后面。垂钓的人都知道,鳟鱼喜欢躲在石头后面“歇脚”,这个现象背后就是这个道理。
为了验证这一点,Liao 还在加拿大的溪流里进行实地观察。他在溪流里放上棒槌,观察到鳟鱼会聚集到棒槌后方,展现出和实验室里类似的动态。研究者们发现,虹鳟喜欢利用卡门涡旋,其图片来源:fish code studios。当然了,卡门涡街也能解释为什么鱼会聚集成群,因为每条鱼都在利用其他鱼产生的卡门涡街的输出辅助。
Liao 发现,两条并排游动的鱼产生的湍流和棒槌后面的卡门涡街类似,因此会吸引其他鱼儿过来搭便车。这一点对一些海洋哺乳动物也适用。海豚和鲸喜欢追着人类的轮船跑,很可能也是在利用人类轮船带来的卡门“魔法球”,可不是为了交个朋友。其实上面都不算最惊人的。
Liao 和同事在2006年发表在《流体力学期刊》(Journal of Fluid Mechanics)上的一篇论文指出,捕鲸人曾观察到死掉的鲸也能在捕鲸船后以每小时1海里的速度“游”很长时间。这恐怕也是卡门涡街用未冷的尸首召唤出的“死亡尾行”。
但是对于这些哈佛大学和麻省理工学院的研究者们来说,卡门涡街和鳟鱼的这种死亡对线不仅不吓人,甚至有望创造出“不插电”的能量捕捉设备,将大气和海洋中原本碍事儿的湍流“驯化”成环保能源。总之,这种“僵尸”带给人类的不是恐惧,而是希望。是美食,也是新能源的工程尸。