學學水上漂:我們能在水面上行走嗎(組圖)

本文選自《科學世界》雜誌2015年第1期，經雜誌社授權轉載。

　　在武俠片中，經常會出現在水面上奔跑的大俠，這是傳說中的輕功。15世紀的發明家達文西為我們留下了水上行走工具的素描圖，似乎從古代開始，人們就對水面行走抱有很大的興趣。在生物界，有一些生物可以在水面行走，甚至能夠在水面上奔跑。這些生物是如何實現水面行走的呢？有沒有一種方法使人類也能夠在水面奔跑呢？

　　在美洲中部的森林裡生活著一種叫皇冠鬣蜥(Basiliscussp。)的蜥蜴。這種蜥蜴體重大約為2～500克，但卻能夠在水面上迅速奔跑，的確非常罕見。據了解，能在水面奔跑的蜥蜴還有其他幾種，但一出生就能做到的只有皇冠鬣蜥。

　　皇冠鬣蜥一般生活在水邊，擅長遊泳或長時間潛於水底，而展示其驚人的水面奔跑功夫，是在它逃避鱷魚或蛇等捕食者的時候。體重幾十克的皇冠鬣蜥，可以用後腳以每秒約1.5米、20步的速度前進。由於聖經裡有關於基督教徒在水面行走的記錄，於是，在中美洲，人們將這種能在水面行走的皇冠鬣蜥親切地稱之為「Jesus Christ Lizards(基督蜥蜴)」。

　　下沉之前邁出下一步，靠力量奔跑的蜥蜴

　　簡單來說，皇冠鬣蜥的奔跑方法就是在身體下沉之前腳向前再邁一步。

　　雖說如此，水畢竟是流體，一般情況下，動物想要在水面行走或奔跑，會因水面無法支撐體重而下沉。所以說，要實現水面行走，關鍵是怎樣獲得支撐身體的力。那麼，皇冠鬣蜥在水面奔跑的時候，水面上到底發生了什麼呢？

　　仔細研究皇冠鬣蜥的水面奔跑方法後發現，它使用後腳：1拍擊水面，2將腳向下放至水中，3向後划水，4抬腳往前落，快速重複這四個步驟(右下方圖片)。在皇冠鬣蜥這樣奔跑的過程中，有三種力作用於它的身體。

　　皇冠鬣蜥水面奔跑時產生的三種力

　　首先發揮作用的是腳從上方拍擊水面的瞬間產生的「衝擊力」。這種向上的力支撐著身體，在被拍擊的水加速結束之前的一瞬間發揮作用。拍擊的力量越大，水的加速度越大，而且，腳的面積越大，攪動的水越多。

　　比衝擊力稍晚一會兒產生的力叫做「浮力」。高速旋轉拍打的腳將水推開，水面以下會出現一個蜥蜴身體長度的柱狀漩渦，像是將腳包圍住(實驗圖像不太清晰)。由於這個氣柱的存在，浮力產生了。就像是按下水面的洗臉盆底，洗臉盆會感受到一種向上頂壓的力，這種浮力的道理是一樣的。但是，這個凹陷會立刻恢復，浮力也就隨之消失。

 

　　圖為水面奔跑的綠雙冠蜥(Basiliscus plumifrons////)，拍攝於哥斯大黎加。這種蜥蜴身長可以生長至60釐米以上，包含長尾巴在內。就是這位高手擁有高速旋轉拍水的驚人腳功。

　　綠雙冠蜥的奔跑方法

 

　　以上為高速攝像機拍攝的綠雙冠蜥(20.8克)水面奔跑圖(奔跑速度為每秒1.4米)。左腳的形狀用黃線表示。背景方格間隔為2釐米。為了看清移動的距離，我們在相同的位置用深藍色圓點標記。圖下方的粗箭頭表示左腳的移動，數字表示腳每旋轉拍打一次的時間內腳的不同動作所佔的時間比(實驗中體重在2.8～78克範圍內的11隻綠雙冠蜥的平均值)。右腳的移動要慢半周。

　　緊隨浮力之後產生的力叫做「流體動力」，即划水時的抵抗力，與划水速度的平方成正比。該力主要產生於腳往下往後劃的過程中，成為身體向上方的支撐力和向前的推動力。在上方發揮作用的支撐力加上之前的浮力，正好超過支撐體重所需要的力。

　　最後，皇冠鬣蜥之所以不會沉水，是因為腳在後面不斷划水，在邁出下一步之前身體要下沉的一瞬間，被腳拍擊水面瞬間產生的「衝擊力」和「浮力」及向上的「流體動力」支撐住。最重要的是，這種拍擊水面的巨大力量能夠快速並連續地產生。

　　另外，皇冠鬣蜥的腳掌和腳趾很長，腳趾中間有蹼。這些蹼在腳拍擊水面時會伸展開，而當腳離開水面時又會合攏。這樣，就會放大腳下壓水面時的流體動力，減少離開水面時的阻力。同時，為了更強烈地拍擊水面，皇冠鬣蜥會使身體扭曲，讓腳大幅度扭轉。

　　水面小型昆蟲使用「表面張力」

　　說到能在水面行走的生物，許多人會想到水黽吧。我們剛才分析發現，皇冠鬣蜥依靠驚異的身體能力實現了水上行走，但在小型昆蟲中，這種水面行走的現象並不罕見。水黽等小型昆蟲在水面滑行利用的是在水面上產生的一種用顯微鏡才能分辨的微觀力，即「表面張力」。

　　表面張力可以讓液面自動收縮。在這種表面張力的作用下，對於可以用腿疏水划行的昆蟲來說，水面就蹦床一樣(見下頁圖1)。如果用接觸水面的腿划水前行，表面張力不僅會把身體支撐在水面上的，而且會根據昆蟲的大小，助其跳躍。同時，如果昆蟲的身體沉在水裡，那表面張力就幫助其將身體按壓在水面。(見下頁圖2，實際的昆蟲例子我們之後講述)。

　　另外，水黽的腿上有很多剛毛，而且每根剛毛上都有很多精細的凹槽結構。由於這種凹凸的表面會吸附許多空氣(形成氣墊)，從而讓水黽可以在水上自由穿梭滑行。根據表面的「素材」種類不同，疏水性會有所差異，而一些表面構造可以提高疏水性。例如，在包括荷葉等植物在內的許多生物身上，我們都能看到這種構造。

　　靠划水或排放分泌物前進

　　依靠表面張力浮動於水面的小型昆蟲，具有水面移動的各種技能。

　　水黽可以在水上輕捷地前行，有6條用來划水的腿，它先使用正中間的腿，像船槳一樣划水(右圖a)。此時，腿後方會形成漩渦，在這個漩渦的作用下推動身體向前(右圖b)。據悉，鳥和魚也會有效地利用這種漩渦獲得推動力。

　　此外，像寬蝽(右圖c)或隱翅蟲等，這類昆蟲通過腳尖排放油脂前進。研究發現，與普通用腳前行相比，寬蝽的速度能夠達到2倍(最快每秒17釐米)。這是因為，油脂具有降低水面張力的作用。前後水面產生了表面張力差，從而促使水流動，推動身體前行。

　　有一種遊戲使用的也是這個原理。用結實的紙剪一個船型，在船尾放一塊與水接觸的肥皂。因為肥皂會降低水面的張力，肥皂浮於水面，隨著它的溶化，船會不斷前進，這就是所謂的「肥皂船」。

　　如何爬水坡？

　　仔細觀察物體所接觸的水面後發現，由於表面張力，水面形成了一個「坡」。 對於許多體長只有幾毫米的水上步行昆蟲來說，這可是個難以攀登的「坡」。

　　靠表面張力漂浮

　　在液面上，有一種可以收縮表面積的力——「表面張力」。這種力沿著液面的方向(切線方向)發揮作用，所以就會按照圖中紅色箭頭的方向作用於液面上漂浮的物體。

　　然而，像尺蝽之類的昆蟲，它們可以用沉入水中的腳尖趾甲抓水，來攀爬「水坡」(圖片d)。

　　除此之外，還有一種動物腿部不動就能在水面上行進。取食睡蓮葉的榆黃葉甲，其幼蟲喜歡沉於水中，所以不擅長用腿進行水面行走。但是，如果反弓後背，即使腿部不動也能夠滑行到睡蓮葉附近(圖片e)。

　　你知道嗎？睡蓮的葉子所接觸的水面是向上彎曲的。這種葉子也易溶於水。此時，葉子與弓背的幼蟲之間的水面就會變成U字形。於是，表面張力就會像相互拉拽一樣作用於這個U字形的水面，而幼蟲就被拉向蓮葉的方向。

　　另外，榆黃葉甲以及之前介紹的寬蝽，雖然體重有所不同，但他們都會使用各自的方法實現水坡攀登。

　　人能否在水面上奔跑？

　　以上我們分兩大類敘述了在水面上行走的方法。皇冠鬣蜥憑藉其驚人的腳上功夫，而小型昆蟲則依靠微小的表面張力實現了水上行走。那人怎樣才能夠在水上奔跑呢？我們來看看利用水面生物支撐身體的方法是否可行。

　　日本東京大學的名譽教授東昭致力於各種生物的運動研究，他認為，水陸空生物支撐身體的方法，大致可以分為三類。

　　第一是利用浮力支撐整個身體。這種方法不受身體大小的局限，只要身體密度小於水的密度，就可以在水面漂浮。

　　由於生物的比重與水大致相同，浮於水面是可以實現的。在生物界，利用浮力浮出水面的最大動物是鯨魚。但是，因為這個比重勉強位於漂浮與沉沒之間，身體是位於水下的，所以，要實現在水面奔跑的目標，不能利用浮力。

　　第二是用部分面積支撐身體的方法。採用這種方法的生物，比如用翅膀推開空氣飛翔的鳥，用魚鰭按壓水面前進的魚。此外，用腳底在水面行走的皇冠鬣蜥也屬於這種類型。

　　如果用部分面積來支撐身體，那單位面積所需要的支撐力會隨著體重的變大而增加。研究發現，即使是皇冠鬣蜥，一旦體重超過200克，水面行走就會變得非常困難。這樣一來，對於體重比皇冠鬣蜥大，而且與身體相比腳底又太小的人來說，像皇冠鬣蜥一樣在水面奔跑是不可能的。

　　使用粉就能實現水面奔跑！

圖為在撒有大量澱粉的遊泳池水面上奔跑。(出自NHK「大科學實驗 水上競技會」)

　　哪種粉可以實現水面上奔跑？

　　在粒子細微程度類似的4種粉內加入水，用力攪拌使其變形。摻有豬牙花澱粉和玉米澱粉的液體，如果加快變形的速度，其黏度(硬度)也會急劇增加。而如果摻合的是麵粉和優質糯米粉，隨著變形速度的加快，它們的鬆軟度會不斷提高。這是因為，前兩種粉不溶於水，細微的粒子會保持原狀，而後兩種粉溶於水後會立刻結團。圖表中地幔、冰和水的黏度值可供參考(假定冰和地幔的黏度不會根據變形速度而變化)。

　　粉的粒子「堵塞」會變硬？

　　關於粉的高濃度液體在快速變形時會變硬的原因，有一種說法認為，高速變形時，液體中粒子的部署被打亂，其中一部分粒子變得非常擁擠，無法動彈。

　　最後是表面張力法。水的表面張力大概每米能支撐7克的重量(約70毫牛/米)。要想支撐體重為70千克的人，人的腳底周圍需要有10000米水。即使人穿了超級防水鞋，也不可能實現水面奔跑。

　　穿著大鞋子學皇冠鬣蜥奔跑？

　　那如何才能實現人在水面奔跑呢？穿雙大鞋子會怎樣呢？也就是說，讓「腳底」增大至與體重相稱的面積。

　　根據東教授的估算，從原理上來說，人若穿上大的木板鞋子，是可以實現水面行走的(假設使用半徑約30釐米的圓板，腳離開水面時圓板可以收縮)。

　　在水中撒粉就能實現水面奔跑！

　　人在摻入澱粉的水上奔跑，你有沒有在電視上看過這個實驗呢？在實驗中，如果人不斷奔跑或者勻速移動腳步就不會下沉，而一旦停下就會立刻沉下去。

　　這種現象一般被稱為物質的「膨脹性」。將澱粉混合在水中，攪拌變形的速度越快，就會越硬(黏度增加)，像固體一樣。同樣，即使摻入的不是澱粉，而是粒子很細(大小為數十微米)、不溶於水的物質，也會發生同樣的現象。但這種變化需要高濃度，至少水與粒子的體積比達到同一水平以上，且需要不斷攪拌。

　　為何攪拌之後液體會迅速變硬呢？研究軟物質物理的日本京都大學副教授增渕熊一指出，其中有一種說法認為，液體高速變形後，其粒子部署被打亂，其中一部分變得「堵塞」，無法動彈(右上方圖片)。

　　最近，相關專家做了一個實驗，把木棒比作人腿，讓其在摻有澱粉的液體上奔跑，再現人在水面行走的條件。結果發現，在木棒下面，粉「堵塞」形成幾釐米又長又硬的「柱子」。其周圍粉的濃度也很高，這些密集的粉團形成一股強大的力量防止木棒下沉。

　　粉的這種不可思議的特性，自己動手也可以實驗。一定要嘗試一下！