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你是否曾经有这样的体验:在炎炎夏日沐浴时,身边总有蚊子环绕不去,让人不由得随手抓起手边的喷头向这些讨厌的小生物喷射水流。一番猛烈攻击后,却反而收到了蚊子赠送的多个“红包”。说起来,蚊子的体重通常只有2至10毫克,而最大的水滴重量可高达100毫克,几乎是蚊子体重的50倍。这就相当于蚊子置身于一场降雨中,仿佛身处户外,头顶上方有起重机垂直落下,可为何它们并未被洗澡水砸死呢?
美国佐治亚理工学院的胡立德教授对这一问题深感兴趣,并因此荣获了2015年度的菠萝科学奖。某一天,胡立德教授怀抱孩子在家门口静观雨景,孩子的啼哭打断了宁静的时刻,原来是因为遭到了蚊子的袭击。
那么,蚊子是如何在密集的雨滴中穿梭而不被砸死的呢?对此问题的研究,胡立德教授最初设想是在下雨时直接去室外实地观察,然而要在恰好那一刻捕捉到蚊子被雨滴砸中的几率几乎为零。实际上,研究团队成员常常既要忍受蚊子的叮咬,还要同时承受雨水的洗礼。
最终,胡立德选择了与美国疾病控制中心合作,选取了一批刚出生仅2至5天,尚未吸食过人血的幼年蚊子作为实验对象。将这些年轻的蚊子置于黑暗的小房间内,然后用喷头制造出冰冷的雨滴猛烈冲击它们。随后利用高速摄影机,以每秒4000至6000帧的速度记录下了蚊子被雨滴击中瞬间的行为细节。
经过这项极其专业的实验,研究者们无奈地确认了一个事实:蚊子是不会被雨水或者洗澡水砸死的。这其中究竟有何奥秘?
原来,并非因为蚊子有着闭眼旋转跳跃的神奇避雨技能,也不是因为它们飞行速度快。事实上,蚊子的最大飞行速度仅为每秒1米,远远不及雨水的速度(约每秒9米)。
蚊子的第一项生存秘诀在于其娇小的体型,这让雨滴难以准确击中其致命部位。科研人员通过高速摄影的图像发现,大多数情况下,当雨滴撞击到蚊子时,只会打到它的六条腿上。这时,蚊子可能会在空中被短暂地撞翻,但由于其出色的飞行能力,它们会立刻向受击一侧倾斜,并完成一次高达50度的高难度侧身翻滚动作,从而让雨滴从侧面滑落。蚊子能在极短的时间内——百分之一秒内恢复平衡。
若雨滴直接命中蚊子的身体,蚊子并不会挣扎反抗,而是会立即跟随水滴一同下降。但这并非意味着蚊子被水流裹挟而去,而是得益于其体表大量疏水性细毛的帮助,即使在下降过程中,蚊子也能自如调整姿势并与雨滴侧向分离,迅速恢复正常的飞行状态。
蚊子的另一项生存法宝则是其坚韧的外骨骼,这使得蚊子能够承受极大的加速度。例如,当快速的雨滴砸中较大的昆虫如蜻蜓时,雨水会减速并将动能(动量)完全转移给昆虫的外骨骼,导致昆虫受伤。然而,蚊子的体重过于轻巧,雨滴击中它们后减速程度不大,反而会赋予蚊子一个巨大的加速度,使其随雨滴一同移动。
经测量,随雨滴移动的蚊子所承受的重力加速度范围在100至300之间,这个数值在动物界堪称顶峰(相比之下,动物界具有最快加速度的跳蚤在跳跃时也只能达到135个重力加速度)。
或许有些朋友会觉得好奇,研究蚊子是否会遭到雨滴的撞击有何意义?实际上,揭示并模仿这类动物应对自然环境的独特技巧,可以为科学家和工程师带来新的设计理念,帮助他们解决许多机械设备领域的技术难题——例如,如何更好地设计微型飞行器,使其能像蚊子那样在雨中轻松飞翔。(科普中国微信公众号)
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