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标题: “活鱼雷”——剑鱼 [打印本页]

作者: zhantian 时间: 6.6.2005 19:16
第二次世界大战即将结束，英国一艘轮船“巴尔巴拉”号正在作横渡大西洋的定期航行。突然，值班水手发出一声绝望的惊叫：“鱼雷！左舷发现鱼雷！”。这时轮船上随即响起警报，船员们慌作一团，全部拥向甲板。主舵手发疯般地转着舵，拼命地改变着航向。从左舷看去，可以清楚地看到一个黑色的椭圆形的东西异常迅速地朝轮船冲来，其后掀起一道道白浪。不一会儿，只听一声震耳欲聋的巨响……。 　　船上的人早已被吓得魂不附体，可是奇怪，轮船并没发生爆炸。这时人们才发现，轮船船底破了一个大窟窿，海水汹涌而入。而那个可怕的“鱼雷”已经离开了这条船，又向着另一个方向冲去。原来，那是一条巨大的剑鱼——“活鱼雷”。 　　剑鱼属于剑鱼科，由于它的长颌延长，呈剑状突出，因而得名。它的“剑”异常锋利，犹如长尾鲨的尾巴一样。属于残忍凶猛的鱼类。平时喜欢生活在大洋深处，安分守己，胆小怕事，但在它发怒时，它会不顾一切地向鲸鱼、军舰或渔船扑去。游动的速度是相当惊人的，据测定，此时剑鱼的时速可达100公里。剑鱼在鱼类的大家族中算得上是引人注目的，它那纺锤形的身体行动异常敏捷。两个背鳍长的也很奇怪，一个是又长长又尖，另一个短的让人看不出来，尾鳍象一弯新月。剑鱼的体表呈深监色，腹部为纯蓝色，这种体色在一般沿海鱼类中是很少见的，这显然是大洋性鱼类的主要特征。 　　剑鱼为肉食鱼类。曾在一条剑鱼的胃里发现有几尾鲳鱼，一尾大眼鲷鱼，十二尾鲹以及它的仔鱼。剑鱼的捕食方法很特殊，观其捕食犹如在看它跳一场“死亡之舞”。当它一闯进鲭鱼群，就将身体放扁从水中跃起，经过几跃之后，多数鲭鱼均被震昏。此时，它又以闪电般的速度在鱼群中横冲直撞，不一会儿就用长剑刺死数十条鲭鱼，然后便狼吞虎咽地饱餐一顿。英国军舰“列波里特”号在利物浦西南600公里的海面上曾几次受到剑鱼的袭击。一次，舰上的人员正准备进行早操集训，忽听一声巨响，全体人员都不知出了什么事。一查看，原来在船尾侧面的抛锚处有一尾剑鱼刺入船板，它正在挣脱欲逃，说时迟那时快，也不知是谁用一根粗大的绳子准确无误地套住了它的尾部，大剑鱼被吊上了甲板。经测量，这尾剑鱼全长为5.28米，其中“剑”长就有1.54米，体重为660公斤。 在很久以前，当船舶还都是木制的时候，英国保险公司的保险项目中就列有“剑鱼攻击船只所受伤害保险”一款。在英国肯西格顿城的历史自然博物馆里，还陈列着遭到剑鱼攻击而受损的船只和剑鱼被船折断的“剑”。由此可见，剑鱼在当时的危害性是相当严重的。 　　1944年，南非某处海面上出现了一条大剑鱼，它凶猛地用自身的“利剑”戳穿了一条渔船，并把船举出水面。转眼间，连船带人都被卷入了水中。 　　1948年底的一天，美国四桅帆船“伊丽莎白”号在驶近波士顿时，遭到剑鱼的袭击。船员们亲眼看着那庞然大物是怎样以每秒钟几百米的速度猛冲过来，它的长剑深深戳进船舱，甚至连头都快插进去了，幸好它没有继续进攻，否则船真的要惨遭灭顶之灾了。尽管如此，“伊丽莎白”号进港后，还花了三千多美元的修理费。剑鱼还常常同鲨鱼群一起围攻巨鲸，有时在海上可以看到这样的情景：一群鲨鱼把一头巨鲸闺困在中间，它们用锐利的牙齿在鲸鱼身上厮咬，不一会儿鲸鱼就昏迷过去。这时剑鱼也赶来了，用自己的长剑在鲸体上左右乱拨，奇怪的是它却一口不吃，好象专门为鲨鱼效劳的，剑鱼这样的举动至今令人捉摸不透。 　　剑鱼的肉很鲜美，所以渔民从不错过捕捉它的机会。由于剑鱼长成之后单独行动居多，所以在渔业上捕捉意义不大。不过，剑鱼也有个特殊的习性它很喜欢混在鲔鱼群内，因此一般有鲔鱼群的地方，便可以常常看到剑鱼。但是捕捉剑鱼可不是件容易的事，对于它，用各种网具都是徒劳的，唯一能捕捉它的工具就是鱼叉，而这又是一桩相当冒险的事。往往受了伤的剑鱼突然潜入海底，而后猛地冲出海面，刺穿或打翻渔船。所以，捕捉剑鱼一定要做好充分的准备工作。

作者: 唐都 时间: 6.6.2005 19:26
这时剑鱼也赶来了，用自己的长剑在鲸体上左右乱拨，奇怪的是它却一口不吃，好象专门为鲨鱼效劳的 哈哈，长见识了！！ 船员们亲眼看着那庞然大物是怎样以每秒钟几百米的速度猛冲过来 这句太夸张了，每秒100米就是每小时360公里，可以和F1拼了！！

作者: zhantian 时间: 6.6.2005 19:35
<!--emo&

--><img src='style_emoticons/<#EMO_DIR#>/laugh.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='laugh.gif' /> 是有点儿夸张，估计海员目测的不准吧。 不过应该会很快，毕竟媒介不一样，空气为媒介和水为媒介有很大区别。 比如，有效功率的问题，聪明的人类也造不出有效功率接近100％的机器。 可是海豚的有效功率可以达到99.9%。。。。。。。。。

作者: 唐都 时间: 6.6.2005 19:48
<div class='quotetop'>QUOTE(zantian @ 06.06.2005, 19:35 )</div><div class='quotemain'><!--emo&

--><img src='style_emoticons/<#EMO_DIR#>/ohmy.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='ohmy.gif' /> 不可思议！！ 是指海豚99.9%的能量消耗转化成有效的功 <img src='style_emoticons/<#EMO_DIR#>/ph34r.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='ph34r.gif' /> 我倒 zantian能否给点资料看看 <img src='style_emoticons/<#EMO_DIR#>/wub.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='wub.gif' />

作者: zhantian 时间: 6.6.2005 20:04
我记得是在一个杂志的科普文章里看到的。 有效功率就是有用功的半分比了。 我去小狗查查。看看是不是真的。

作者: zhantian 时间: 6.6.2005 20:09
关于海豚的资料很多，我先发几个有意思的帖子，碰到关于有效功率的就贴出来。

作者: 唐都 时间: 6.6.2005 20:14
已经去查了一遍，都是“海豚”号 <!--emo&

--><img src='style_emoticons/<#EMO_DIR#>/laugh.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='laugh.gif' /> <!--emo&

--><img src='style_emoticons/<#EMO_DIR#>/laugh.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='laugh.gif' />

作者: zhantian 时间: 6.6.2005 20:24
呵呵，我查了一堆武器，潜艇，直升机...........

作者: zhantian 时间: 6.6.2005 20:32
如果你见过海豚，或是接触过海豚，相信你一定不会忘记这个充满人性的动物，姿态优美，而又和气友善。它们是海洋中优秀的游泳健将。在海洋中至少游了二千四百万年，这使它们充分适应了海中的生活，轻易便能达到每小时20海里的速度，相当于每小时36公里，这比人类最好的游泳选手还要快五倍。然而，海豚是海洋中耗能极少，却能达到高速游动的动物，这让人颇为费解。 　　采访梁健宏（北京航空航天大学机器人研究所博士）：在上个世纪30年代的时候，有一个叫格林的科学家，他研究海豚的游动，他发现海豚要游到每小时20海里这样的速度的时候，它消耗的能量比它进去的东西要大七倍，这个问题就没有办法解释，称之为格林悖论，是关于海豚游动的一个难题。 　　后来，许多科学家都参与了海豚游泳这一项研究当中。科学家发现，海豚游泳时，阻力来源于皮肤和周围水域之间的摩擦力，这个阻力随时会发生变化，然而海豚的皮肤却能够顺应这个阻力变化，从而抵消阻力，让它游得更快，更为省力。 　　采访梁健宏：我们现在通过一些计算，我们研究鱼的推进机理，这么长时间，通过一个计算，发现海豚，它要游到每小时36公里的速度，也就是每小时20节，它需要大约三千瓦的这样一个功率，可以说，一个人举重的时候，我们计算过，把一个100多公斤的杠铃举重起来，瞬间功率也不过就是一点几千瓦，所以海豚要这么长时间地进行巡游，它可能要达到，长时间保持三千瓦，所以这还是一个未知数，它是否真的有这么大的能量，还是到底有其他的一些原因。 　　通过观察可以发现鱼类游动时，它们自己的身体便是推进器，它靠鱼尾左右摆动击水，就可往前行走了。这个摆动非常重要，一左一右的摆动会在鱼的尾部产生两个涡流，在某一特定时刻这两个涡流会共同作用向后产生一股射流，从而推动鱼类前进。 　　采访梁健宏：自然界在水流里面，它可能现成就有一个涡，这个时候，鱼尾巴只要拍出其中一个涡，再利用另外一个涡，就能把射流形成了，等于说，它就可能节约了一半（能量）。 　　经过千万年的进化，海豚已经变得非常有经验，它的身体能够充分感受到来自海洋的现成能量并加以利用。 　　采访梁健宏：海豚能够长时间地巡游，有可能是像鸟一样，鸟飞的时候经常利用空气中的上升气流，等于海豚是利用了洋流里面的，波浪里面现成的漩涡的能量来补充它的能量，从而它总的推进效率，就是从整个大系统来讲，它可能是超过1的，所以说它才能够长时间高速的去做巡游。

作者: 唐都 时间: 6.6.2005 20:39
鸟飞的时候经常利用空气中的上升气流，等于海豚是利用了洋流里面的，波浪里面现成的漩涡的能量来补充它的能量 就像宇宙飞船利用万有引力加速咯~~ 呵呵，可惜没有机会去学物理。

作者: zhantian 时间: 6.6.2005 20:39
嘟嘟，查了半天，具体数据查不到，99.9%这个数我没记错，因为当时看的时候很惊异，前后文又看了好几遍。所以这个数字印象很深。 上面的帖子中间部分你也看了，按那里面讲的，我觉得海豚很有可能做到这点。 要不我就是被那本杂志给骗了.....................

作者: 雪儿77 时间: 6.6.2005 20:42
路过一下

作者: 唐都 时间: 6.6.2005 20:47
海水也会不停的产生能量，这种能量比空气大的多 如果海豚可以利用，确实可以如此~~ 没学过物理，大家别拍的太狠

作者: nanoeuro 时间: 6.6.2005 20:53
每秒钟几百米的速度--------------------hehe

, 超音速阿，呵呵

作者: nanoeuro 时间: 6.6.2005 20:58
，99.9%这个数我没记错，因为当时看的时候很惊异，前后文又看了好几遍---------------------------一定是不对，我的论文研究动力分子蛋白：化学能量要有很大一部分转化成热量，一般是小部分转化成有用功。按照质量功率比，肌肉和汽车发动机差不多。所以你这个数字只能是给小朋友启蒙让他们模模糊糊的喜欢动物。呵呵，别怪我说教--------一个生物教师-----------------------

作者: zhantian 时间: 6.6.2005 21:03
呵呵，多谢专家指教，一会儿吃完饭，我再查查。

作者: 唐都 时间: 6.6.2005 21:11
<div class='quotetop'>QUOTE(nanoeuro @ 06.06.2005, 20:58 )</div><div class='quotemain'>，99.9%这个数我没记错，因为当时看的时候很惊异，前后文又看了好几遍---------------------------一定是不对，我的论文研究动力分子蛋白：化学能量要有很大一部分转化成热量，一般是小部分转化成有用功。按照质量功率比，肌肉和汽车发动机差不多。所以你这个数字只能是给小朋友启蒙让他们模模糊糊的喜欢动物。呵呵，别怪我说教--------一个生物教师----------------------- [right][snapback]606401[/snapback][/right] </div> 如果海豚只是一个水分子呢？？

作者: nanoeuro 时间: 6.6.2005 22:00
你很有想象力么，呵呵，如果海豚是个水分子，就是个丁达尔运动，不能走直线的-----------------------------物理系毕业生-------------------------

作者: 唐都 时间: 6.6.2005 22:12
力是可以合成的，或许海豚的前进务须全部靠自己

S：楼上的物理毕业教生物？强！

作者: zhantian 时间: 6.6.2005 22:20
游动和飞行的仿生力学问题 ( 2004年05月09日 12:13:36 阅读： ) 　　鱼类等水生动物和有翼昆虫等飞行动物经历了近亿年的进化过程，为了攫取食饵、逃避敌害、生殖繁衍和集群活动等生存需要，通过漫长的环境适应的自然选择过程，发展了各具特色的在水中游动和空中飞行的非凡能力，其整体功能渐趋优化，为当前的人造水下航行器和飞行器望尘莫及。例如，处于寻食链顶端的海洋水生动物巡游时的流体推进效率可高达80%以上；人们早先用摇橹方式行船，以模仿鱼尾摆规律；自从采用螺旋桨推进后，其效率即下降至40%以下。100年前，Wright兄弟由鸟类滑翔得到启示，发明了飞机，但迄今为止，飞机的整体飞行性能还无法与飞行动物相匹配。以当前正形成热潮的研制微型飞行器为例，如果其尺度在15cm以下时仍采用固定翼的常规气动布局，则由于气流的相对粘性过大，飞行器犹如在浆糊那样的介质中运动，就无法飞行了。唯一的出路是从昆虫飞行中寻找奥妙因为昆虫是天然的微型飞行器。 　　随着上世纪末各种微型高新技术的迅速发展，人们提出了微型飞行器，微小水下航行器等概念，它们在未来国家安全和民用服务等方面即将起到重大作用。与此同时，仿生机器学（Biomimetics）正迅速崛起，近10年来不同层次的机器鱼先后在国外和国内制成，国外的小型拍翼飞行器已有样机，尺度小到3cm的机器苍蝇也正在试制之中。这些仿生技术的迫切需求依赖于一门发展中的交叉学科——生物运动力学的强力支撑。要从这门学科中汲取新思想和新概念。 　　生物运动力学游动和飞行生物运动力学的研究对象是：将鱼、昆虫等生物视为一个个有生命的机器，要研究它们在神经信号控制下，驱动其强劲的推进肌产生收缩动作（相当于原动机），形成波状摆动或拍翼运动，将肌肉中蕴含的生化能转化为机械能，从而实现自主游动和自主飞行。因此，该交叉学科需要解决的重大科学问题是：要研究和建立游动和飞行生物作为一类自主运动生命机器的力学设计概念及其运动链的系列理论，包括神经控制，肌肉力学，生物结构、形态和运动模式，生物材料性能，其推进和流动控制机制（生物外部流体力学）、能量转换机制及其效率（力能学）等；也要研究游动和飞行的力学效应对动物的生理学、生态学、动物行为及进化的相互影响。 　　由于这类生命机器中运动链的末端表现为执行器官（即往复摆动的鱼体、拍动的昆虫翼等）的运动与周围介质的相互作用，生物外部流体力学自然成为该学科的关键环节。这类生物流动区别于一般流体力学问题的盘点是（1）生物体自主运动，（2）柔性变形体，（3）强非定常流动，（4）对小型昆虫而言，雷诺数比较小，即Re=101~103。下面介绍几个当前关注的生物外部流体力学问题。 　　游鱼的阻力测定和机动运动问题英国学者Gray（1936）提出一个疑题，海豚游动时，其肌肉能够提供的功率只有克服阻力所需功率估计值的1/7，认为活海豚具有减阻之谜有待揭示。其后，有许多人为之探索。一方面，研究了鱼类本身的低阻外形、其边界层流动控制的减阻，发现这些减阻机制只是个别存在，而且减阻幅度不大，不足以当作疑题的答案。另方面，又用多种实验方案测量模型鱼、死鱼、麻醉鱼等的流体阻力，发现散布度很大，竟有数量级之差。现在看来，在实验方案中，必须满足自主游动的条件，前人将死鱼连结在支架上作试验，肯定不符合要求。Triantafyllou 等（1999）将机器金枪鱼放在拖曳水池中支架上作阻力试验，令机器鱼摆动以模拟“活”鱼，否则就是“死”鱼，根据两种情况测出的输入功率，可以确定两者阻力的比值。结果表明，若“活”鱼处于低效游动时，其阻力会比“死”鱼大；当“活”鱼处于最佳效率范围巡游时，会比“死”鱼减阻50%，其原因在于活鱼善于利用尾鳍作涡控制。但这一方案仍有悖于“自主”条件。未来唯一可能的途径是定量测出活鱼的流场信息再换算出阻力。 　　某些鱼类的机动性能是惊人的。例如，黄鳍金枪鱼的爆发速度高达40节；白斑狗鱼的加速性能可达20倍重力加速度；鱼的转弯半径一般只有0.1~0.3倍体长，转弯时毋需减速。目前有了一些运动学观测资料。Domenici和Blake（1997）总结了前人观察白斑狗鱼等快速起动过程的结果：在起动之前，鱼体要弯成C形或S形，然后反弹，形成波动方式推进，以实现鱼类的捕食或逃逸。最近，我们用数值分析的方法研究了欧洲鳗鱼的倒游、C形快速起动的模型流动和白斑狗鱼的S形快速起动，有理由设想，鱼的机动动作是自然界中实现涡控制的完美杰作：涡的形成、脱落和涡的配对，乃至最后形成有利的局部射流，这一切都是在鱼体转弯、鱼尾摆动等一系列协调动作中完成的，涡流的方向和相位都恰到好处。今后对鱼类机动运动的研究依然任重而道远。 　　昆虫拍翼非定常空气动力学和柔性变形效应问题昆虫物种有上千万，其平均尺度为3-5mm，依靠拍翼的方式提供升力和推力，以平衡体重和克服前飞阻力，实现悬停、前飞、机动运动等飞行状态。当前关注的核心是两种作用机制，即拍翼非定常流动控制问题和昆虫翼柔性变形的力学效应问题。 　　毫米量级的中小型昆虫的拍翼运动虽然雷诺数很低（即气流的相对粘性大），但其流动是强非定常的。我们对此做过理论模化研究，认为这里的非定常性是主导因素，可以采用无粘流的简化气动模型进行解析求解，得到的结果经过验证，表明拍翼方式确实能够克服虫体小尺度（导致低雷诺数）带来的气动局限性，能产生较高的非定常气动力。此外，拍翼方式中可调节的运动学参数很多，变化其中任何一个都可以影响升力和推力，而且为达到某个飞行状态，可以有多种调节方案，这样造就了昆虫机动灵活的高超飞行能力。为此，我们有必要全面探索拍翼方式中每个可调参数的流动控制规律，建立拍翼非定常空气动力学的新分支。 　　昆虫翼大多是薄膜型，在拍动过程中，沿展向的扭转变形和沿弦向的弯度变形通常是很显著的。由于昆虫翼内没有神经，除了翼的翅脉与基底相连，可部分调节翼的形状之外，翼在很大程度上是在惯性力和气动力的双重作用下产生的被动粘弹性变形。昆虫翼的柔性变形效应有哪些？什么最重要？是气动力增益，是节能，还是增强飞行的稳定性？至今尚无答案。从现有少量的研究结果来看，柔性变形能够小幅度改变气动力，用以调节飞行姿态是可以的，但不会有大的气动力增益。我们正在这方面做工作，希望近期内有新的认识。

作者: 唐都 时间: 6.6.2005 22:26
马上睡了，明天再拜读 谢谢老大~~

作者: nanoeuro 时间: 6.6.2005 22:32
你可以用绳子拴个苍蝇仔细研究昆虫飞行之王的奥秘。

作者: 唐都 时间: 6.6.2005 22:34
没那么厉害 这个还是你们内部讨论吧~~

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