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蚊子為何沒有被雨滴砸死?

為什麼這樣的研究都可以發表?它又是憑什麼能獲得菠蘿科學獎呢?這篇解讀將會揭曉答案。

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雨滴砸在蚊子身上,就像汽車砸在人身上,為什麼蚊子不會被砸死?

漫漫細雨對我們來說時常是浪漫而愜意的象徵,可你有沒有想過,對體積微小的昆蟲,譬如蚊子來說,雨中漫步簡直就是一場災難大片。

一滴雨珠的重量可以達到蚊子體重的50倍之多,在蚊子眼中,我們口中的“毛毛雨”,不下於一輛輛甲殼蟲汽車從天而降!

可惜的是,在如此漫天高速飛落的“甲殼蟲汽車”雨中,蚊子依然能夠嗡嗡作響而毫髮無損。

是什麼賦予它如此神通?

為了破解這一謎題,美國佐治亞理工學院的胡立德教授與美國疾病控制中心合作,對雨中飛舞的蚊子進行了高速攝像,以便仔細觀察蚊子被雨滴擊中瞬間的行為。

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這可不是一件容易的事情:首先,要從幾米高的距離外讓雨滴開始加速並準確“擊中”蚊子簡直是不可能的任務,“守株待兔”等蚊子被“人工降雨”自然擊中的概率也微乎其微。

研究員們於是採用了“水槍打蚊群”的策略,將數以百計的蚊子裝入一個細高的透明容器中。

從容器頂端用高速噴頭向蚊群發射與自然界中雨滴速度相仿(大約每秒9米)的“模擬雨滴”,以增加蚊子被“雨滴”擊中的概率。

同時,由於蚊子與雨滴在瞬息之間便擦身而過,如何讓實驗設備自動而準確地捕捉這一時刻成了另一個亟需解決的問題。

研究員們想出的辦法是,在蚊子飛行高度的上方設置一道“激光封鎖線”,雨滴穿過激光線時,便觸發高速相機開始以每秒4000幀的速度拍攝,詳細記錄蚊子與雨滴相互作用中的每一個動作。

通過拍攝下的高速視頻,胡立德教授與他的研究小組分析並歸納了雨滴擊中蚊子不同部位的各種情況,計算出了蚊子在遭遇雨滴的瞬間所受的作用力,以及其後隨雨滴向下移動的距離。

他們發現,蚊子不像我們可能推測的那樣能夠躲避雨滴,但被雨滴擊中的蚊子也不會受到衝擊帶來的傷害。蚊子的秘訣,就在於它們體重極輕。

研究小組拍攝的高速視頻顯示,蚊子被雨滴擊中時並不抵擋雨滴,而是與雨滴融為一體,順應雨滴的趨勢落下。

當雨滴擊中蚊子翅膀或腿部時,蚊子會向擊中的那一側傾斜,並通過高達50度的高難度“側身翻滾動作”讓雨滴從身側滑落。

而當雨滴直接擊中蚊子身體時,蚊子先順應雨水強大的推力與之一同下落,隨之迅速側向微調與雨滴分離並恢復飛行。

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  • 圖A展示了實驗用的模擬雨滴與蚊子的相對大小;
  • 圖B為實驗裝置示意圖;
  • 圖C和圖D是視頻中的一系列截圖,顯示了蚊子被雨滴擊中後迅速作出高難度的“側身翻滾動作”讓雨滴從身側滑落。

研究小組發現,若是雨滴擊中蚊子時,蚊子棲息於無法移動的地面上,雨滴的速度將瞬間減小為0,並施加等同於蚊子體重10000倍的力在蚊子身上,足以致命。

而當蚊子在空中被擊中並採用“不抵抗”策略時,蚊子受到的衝擊力就減小為自重的50-300倍,只相當於在蚊子身上壓了一根羽毛——這是蚊子所能夠承受的。

兩者之間的區別,就如同“一拳打在鋼板上”和“一拳打在棉花上”。

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雖說蚊子看似柔弱如風中浮萍被雨滴砸得搖晃不定,但正是由於蚊子的重量微不可記。

在與雨水碰撞的過程中,雨滴幾乎沒有減速,動能並未轉化為能量擊打在蚊子身上,而是讓蚊子瞬間加速,從而化解了高速下降的雨滴帶來的巨大衝擊。

這就像是“以柔克剛”, 達到“四兩撥千斤”的效果。想不到小小的蚊子還個個是太極高手呢!

除了避免衝擊帶來的傷害,蚊子雨中求生的另一秘訣則是它們疏水性的細毛。

覆滿防水細毛的身體使得蚊子在隨著雨滴下落的過程中與雨滴保持分隔狀態,從而能夠迅速擺脫雨滴重新飛起,在雨滴將它們砸落地面造成致命傷害前逃出生天。

胡立德教授的這一發現被發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上,並引起了廣泛關注。事實上,這項研究不只是跟蚊子有關。

在對於自然界的應對之道上,動物往往有著比我們更豐富的經驗,並在千萬年的進化過程中發展出了適合它們生存環境的結構和功能。

研究和模擬這些動物應對大自然的特殊本領,可以為我們的科學家和工程師提供新的設計思想,解決機械技術上的很多難題。

比如,如何更好地設計微型飛行器,讓它們能夠像蚊子一樣,在雨中輕盈地翱翔。

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