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動(dòng)物也懂物理學(xué)

2024-11-26 00:00趙君鵬
知識(shí)窗 2024年11期

物理是研究物質(zhì)、能量、空間和時(shí)間的基本性質(zhì)及其相互關(guān)系的自然科學(xué),它探索自然界中力的作用、熱的傳遞、光的傳播、電和磁的現(xiàn)象、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)及物體的運(yùn)動(dòng)等,在人類(lèi)社會(huì)中應(yīng)用廣泛。讓人驚訝的是,很多動(dòng)物也懂物理學(xué),并且將其應(yīng)用在“衣”、食、住、行等方面。

有些動(dòng)物“穿衣打扮”技能高超,正如白居易的詩(shī)句所說(shuō):“不著人間俗衣服?!北热绫睒O熊的毛發(fā)是中空且透明的,中空的結(jié)構(gòu)有助于保存空氣,增強(qiáng)保暖效果,毛發(fā)是透明的,并且表面粗糙不平,能夠更好地散射和反射光線,從而使北極熊看起來(lái)是白色的,有助于它們?cè)诒煅┑刂须[藏;北極熊的皮膚是黑色的,有助于它吸收陽(yáng)光中的熱量,從而在寒冷的環(huán)境中保持體溫。變色龍的皮膚中含有納米晶體,這些納米晶體的排列方式會(huì)影響光的折射。當(dāng)變色龍放松時(shí),納米晶體之間的距離較短,會(huì)反射波長(zhǎng)較短的光線;變色龍興奮時(shí),納米晶體之間的距離增大,會(huì)反射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光線。這涉及微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)的物理知識(shí)。

“民以食為天”,動(dòng)物也不例外。啄木鳥(niǎo)用長(zhǎng)喙啄開(kāi)樹(shù)木的表層,吃掉躲藏在樹(shù)干內(nèi)部的害蟲(chóng)。它每次啄木的時(shí)間只有幾秒,頻率和力度都遵循物體振動(dòng)和能量傳遞的規(guī)律。電鰻的體內(nèi)有許多“電細(xì)胞”,它們組合起來(lái)形成放電結(jié)構(gòu)。當(dāng)捕食較大的獵物時(shí),電鰻的神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出信號(hào),“電細(xì)胞”中的離子發(fā)生跨膜移動(dòng),從而產(chǎn)生電位差,眾多電細(xì)胞產(chǎn)生的電位差累加起來(lái),就形成足以電暈獵物的強(qiáng)大電流。

住所能給人帶來(lái)安全感,對(duì)動(dòng)物來(lái)說(shuō)也是如此。在搭建巢穴時(shí),許多動(dòng)物表現(xiàn)出杰出的建筑才能。鳥(niǎo)類(lèi)在選擇樹(shù)枝和葉子搭建巢穴時(shí),會(huì)考慮材料的強(qiáng)度和柔韌性,以確保巢穴能承受自身和幼鳥(niǎo)的重量,這是力學(xué)的運(yùn)用。蜜蜂的蜂巢由六邊形巢室組成,這種結(jié)構(gòu)能在使用最少材料的情況下獲得最大的空間和強(qiáng)度,符合材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的規(guī)律。水獺會(huì)利用樹(shù)枝、石頭和泥土等材料修筑水壩,來(lái)改變水流并創(chuàng)造適宜的生活環(huán)境,它們?cè)谶x擇材料和修筑水壩時(shí),會(huì)遵循重力、壓力等原理。

行動(dòng)對(duì)許多動(dòng)物來(lái)說(shuō)就是證明自己通曉物理知識(shí)的“走秀”。貓飛檐走壁,平衡能力出眾,它從高處跳下時(shí)不但能迅速感知自身的位置和姿態(tài),靈活地調(diào)整重心,最終四足著地,而且背部的肌肉、骨骼和關(guān)節(jié)能夠起到緩沖作用,吸收和分散落地時(shí)的沖擊能量,從而避免受傷。駱駝的腳掌寬大扁平并且有腳蹼,這增大了與地面的接觸面積,減小對(duì)地面的壓強(qiáng),使得駱駝在行走時(shí)不容易陷入松軟的沙子。駱駝的腳掌還有厚厚的肉墊和角質(zhì)層,肉墊富有彈性,可以減震,而角質(zhì)層能起到一定程度的隔熱和耐磨效果。在捕食時(shí),獵豹從靜止到時(shí)速100千米只需3秒,這得益于它的身體構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)方式。獵豹的身體構(gòu)造有助于它迅速調(diào)整方向,減小空氣阻力,保持平衡,而采用類(lèi)似跳躍的運(yùn)動(dòng)方式,讓它每一步都能獲得最大的推力和彈力。

這些動(dòng)物沒(méi)有上過(guò)物理課,它們是怎樣懂得豐富而又實(shí)用的物理知識(shí)的呢?這是因?yàn)閯?dòng)物會(huì)在自然選擇的過(guò)程中逐漸進(jìn)化,它們通過(guò)先天的遺傳與變異來(lái)適應(yīng)環(huán)境,也會(huì)通過(guò)后天的學(xué)習(xí)和模仿其他物種的科學(xué)做法來(lái)提高生存的概率。

為了生存,自然界中的動(dòng)物學(xué)會(huì)了各種各樣的技能,這讓我們驚嘆生命的多種可能。