大家应该都见过鱼在水里游泳，那死去的鱼呢？这听起来似乎有点荒诞，但2024年的搞笑诺贝尔物理学奖却颁给了一项关于死鱼游泳的相关研究。
来自美国的科学家们因“演示和解释死鳟鱼的游泳能力”而获此殊荣。该研究不仅报道了一种令人惊讶的神奇现象，还揭示了流体动力学的奥秘，为我们理解鱼类如何利用水中的涡流节省能量提供了新的视角。
各怀绝技：鱼类游泳方式的多样性
鱼类的游泳方式多种多样，远比我们想象的要复杂。最常见的是摆动式游泳，鱼体呈现S形弯曲，从头到尾产生一个行进波，推动鱼向前游动。但这只是冰山一角。
有些鱼类如旗鱼和鲭鱼，采用巡航式游泳。它们的身体呈流线型，尾鳍呈新月形，能够长时间保持高速游动。相比之下，鳗鱼则采用蛇形游动，全身产生大幅度波浪状运动，适合在复杂环境中穿梭。
有趣的是，一些鱼类还发展出了特殊的游泳方式，能利用胸鳍“行走”在海底，而飞鱼则能跃出水面，利用胸鳍滑翔一段距离。这些多样的游泳方式反映了鱼类对不同生态环境的适应。
飞鱼
（图片来源：维基百科）
天生一对：流体动力学与鱼类泳姿
要理解鱼类游泳，离不开流体动力学原理。当鱼在水中游动时，它们实际上在不断地操纵周围的水流。通过身体和鳍的运动，鱼类能够产生和控制涡流，从而获得推进力。
有趣的是，鱼类游泳时产生的涡流并非随机。研究发现，高效游动的鱼类能够产生有组织的涡流系统。这些涡流不仅提供推进力，还能减少水的阻力，让鱼游得更快，更省力。
鱼类游泳的能量效率一直是科学家关注的焦点，研究发现，除了身体结构的优化，鱼类还采用了多种策略来节省能量。有些鱼类如金枪鱼，能够长途迁徙数千公里，这需要极高的能量效率。很多鱼类还会利用“滑行”来节省能量，它们在摆动几下后会短暂地停止运动，利用惯性滑行一段距离。此外，群游也是一种节能策略。跟随前方鱼类产生的涡流，后方的鱼可以省力不少。
下次当你在水族馆或河边观察鱼类时，不妨多留意它们的游动方式。也许你会发现，在看似简单的摆动背后，隐藏着流体动力学的精妙奥秘。而这些奥秘，正在启发我们创造更智能、更高效的未来科技。
涡街游泳：一种独特的游泳方式
卡门涡街是当流体以一定速度流经圆柱体等钝体物体时，在其后方形成的规律交替排列的涡流系列，呈现出类似街道般的有序结构。研究团队的灵感来自一个有趣的现象：在河流中，鱼类常常喜欢在障碍物后方停留，而障碍物的后方常有涡流乃至涡街出现。科学家们好奇，鱼是否能从这些涡流区域的特殊水流中获益？为了探索这个问题，他们设计了一个巧妙的实验。
卡门涡街动图
（图片来源：维基百科）
在实验中，研究人员在水槽里放置了一个D形柱体，用以产生规律的涡流。当活鳟鱼被放入这个环境时，它们展现出一种独特的游泳方式，被称为“卡门步态”。此时鱼体会以一种大幅度、低频率的方式摆动，其频率与涡流的形成频率惊人地一致。这种游泳方式似乎能让鱼在节省能量的同时保持位置不变，甚至逆流而上。
美国国家航空航天局拍摄的智利海岸的胡安·费尔南德斯群岛周围的飓风引起的卡门涡街
（图片来源：维基百科）
但真正让人大吃一惊的是，当研究人员用死去的鳟鱼进行实验时，他们发现即使是死鱼也能展现出类似的“游泳”能力！
虹鳟
（图片来源：维基百科）
死鱼的“复活”之谜
那么，死鱼是如何“游泳”的呢？答案就在流体动力学和鱼体的柔软特性中。当死鱼被放置在涡流中时，来自不同方向的水流作用于鱼体，使其产生周期性的摆动。这种被动的摆动恰好能与水流中的涡旋相互作用，产生向前的推力。
研究人员发现，死鱼的摆动频率和幅度与活鱼非常相似。这意味着，鱼类在利用涡流游泳时，很大程度上是在利用一种被动机制。鱼体的柔软度和形状经过长期进化，已经非常适合这种被动推进。简单来说，这项研究揭示了自然界中一种巧妙的能量利用方式。在湍急的水流中，鱼类不是单纯地与水流对抗，而是学会了“顺势而为”，利用水流中的能量来减少自身的能量消耗。
不仅引人发笑，更引人深思。这项研究不仅有趣，还具有潜在的应用价值。
理解了鱼类如何高效利用涡流，科学家们可能据此开发出新的水下机器人设计。这些机器人可能在湍急的水域中更加灵活，能源效率更高。同时，理解鱼类如何利用涡流也可能帮助我们设计更高效的船舶和潜水器。比如，船体的设计可能会考虑如何更好地利用自身产生的涡流来减少阻力。
此外，这项研究也为我们理解鱼类的生态行为提供了新的视角。在河流和海洋中，鱼类选择特定位置停留或迁徙的原因，可能与它们对水流特性的利用有关。这对于鱼类保护和渔业管理都有重要意义。
2024年搞笑诺贝尔物理学奖的这项研究看似荒诞，实则深具启发性。它提醒我们，科学探索中处处有惊喜，哪怕是一条死鱼，也能揭示自然界的奥秘。这项研究不仅加深了我们对流体动力学的理解，也展示了生物如何巧妙地适应和利用环境。
下次当你在水族馆或河边观察鱼类时，不妨多留意它们的游动方式。也许你会发现，在看似简单的摆动背后，隐藏着流体动力学的精妙奥秘。而这些奥秘，正在启发我们创造更智能、更高效的未来科技。
参考文献：
- James C. Liao, Neuromuscular Control of Trout Swimming in a Vortex Street: Implications for Energy Economy During the Kármán Gait
- David N. Beal et. al., Passive Propulsion in Vortex Wakes
出品：科普中国
作者：王佳音（中国科学院先进技术研究院）
监制：中国科普博览