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操碎了心!科学家担心蝴蝶翅膀被雨水打破,实验显示担忧多余了_

2020-06-19 04:19      点击次数:

原标题:操碎了心!科学家担心蝴蝶翅膀被雨水打破,实验显示担忧多余了 曾经网上有一个段子,说一群研究人员讨论水在高空中落下是否会伤害到人,于是用了各种微积分、物理公式进行计算,结果被一个人的一句话震惊:“你们见过下雨吗?” 这固然是没什么学历

原标题:操碎了心!科学家担心蝴蝶翅膀被雨水打破,实验显示担忧多余了

曾经网上有一个段子,说一群研究人员讨论水在高空中落下是否会伤害到人,于是用了各种微积分、物理公式进行计算,结果被一个人的一句话震惊:“你们见过下雨吗?”

这固然是没什么学历的柠檬精编出来的段子,因为就算没见过下雨,用非常基础的物理学知识也可以轻松计算出来水的下落所具有的动能。

不过,世界上还真有那么一群科学家,为了雨水的伤害而担忧。不过,他们不是为了人类而担忧,让他们担心的,是蝴蝶。

同样生活在地球上,面临着同样的降雨,雨滴对于人类来说只不过是弄湿身体或衣服的烦恼,但对于蝴蝶来说就不一样了。蝴蝶本身就比人类小得多,而且翅膀又非常薄。所以,它们如何防止被雨水伤害,就是演化过程中不得不考虑的一个问题。

纽约康奈尔大学的生物和环境工程师Sunghwan "Sunny" Jung表示:“对于这些小型动物来说,被雨水砸中是一件很危险的事故。”他进一步指出:最让人担忧的并不是所谓的雨水砸破翅膀,这固然是一个问题,但并非最严重的一个。实际上,真正引起科学家们关心的,是雨水给这些动物的飞行能力带来的影响,以及雨水导致体温的流失。我们知道,水热量传递是非常快的,这也是1℃的水比1℃的空气感觉冷得多的原因。

总之,对于这些动物来说,尽量减少和雨水接触的时长对于它们的生存来说至关重要。为此,他和他的同事们对这个问题非常关注,对蝴蝶以及其他类似的飞行动物乃至植物都做了深入的研究。他们利用每秒钟可以拍摄5000-20000帧的高速摄像机,记录了雨水落在蝴蝶、飞蛾、蜻蜓、塘鹅等动物的羽毛羽毛和桂叶等植物上的影响。

在此前,曾经也有人对此进行过研究,不过那些实验所用的水滴速度都比实际的雨滴要慢。而Jung等人则最大程度上还原自然,最快时会用暴雨的下落速度(接近每秒10米)进行实验,观察雨滴与这些动物的翅膀或者植物的叶片上,然后用高速摄像机拍摄记录并进行分析。

(图片说明:雨水落在斑马凤尾蝶、蜻蜓和大蚕蛾翅膀的高速画面慢放)

他们发现,雨水落在这些昆虫的翅膀上时,竟然都非常有规律。它们的翅膀看似平整,但是会有微小的凸起和波纹。雨滴在下落的时候,都会落在这些凸起或波峰上。雨滴落在翅膀上的一瞬间,就会撞击到它们而形成类似于冲击波的结构,这些波纹互相干扰,使水滴在翅膀上铺开的过程中形成皱纹和不同的厚度。接下来,水滴即将溅起的时候,这些凸起和波峰就会刺破雨滴,使雨滴碎成更小的结构。

为了验证在高速摄像机中拍摄到的过程,研究人员还仿造出了这些飞行动物的翅膀,在更大尺度上进行了水滴的实验。

(图片说明:模拟雨滴落在人造“翅膀”上破碎的过程)

研究结果显示:覆盖在这些昆虫翅膀上的纳米级别的蜡质结构具有很强的排水性,再加上刚才介绍过的水滴破碎的过程,二者可以合力将水和翅膀的接触时间缩短70%。这对于飞行动物来说非常重要,不仅可以减少飞行的难度,而且减少了热量的散失,可以更好地保持它们肌肉的温度。在雨中保持良好的飞行状态,可以让它们更好地躲避捕食者的追杀,从而存活下来。

Jung解释道:“拥有细微尺度(粗糙的凸起结构)以及纳米尺度(蜡质结构)这两层结构,让这些生物的外皮具有极强的疏水性。”他非常自豪地指出:“这是首次对高速下落的雨滴对这些天然的疏水性表面产生何种影响进行了解的研究。”

与此同时,他的同事Seungho Kim等人还利用高速摄像机对雨滴的碎片落在一些真菌孢子表面的过程进行了拍摄,向人们展示了这些真菌生物如何巧妙地借用植物的屏障,来保护自己,提升自己的生存能力。

通过对这些生物翅膀对抗雨水影响的了解,科学家们可以更好地在仿生学上取得突破,开发出更加合理、先进、高效的防水结构。目前,已经有一些衣服利用荷叶防水的原理,具备了一定的防水属性,也就是所谓的“荷叶效应”。如果我们能将这些飞行昆虫翅膀防水的原理利用起来,将可以更好地实现防水功能。

Jung指出:这类防水表面有非常巨大的市场,但是,目前想要真正利用本次研究的成果来实现防水,首先要解决耐用的问题。等到这些问题解决了,或许我们未来出门就再也不用担心下雨了,在其他需要防水的领域中,将会有更多设备被更好地利用。

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