科普君XueShu雪树
26-06-08 17:22 微博认证:科学科普博主

【雨滴为何砸不死蚊子】有个经典笑话。有人加入了一物理学博士群,一群博士热烈讨论一个问题:一滴水从很高的地方落下来,会不会砸死人?群里各种专业名词满天飞。最后这人看不下去了,问了一句:你们见过下雨会砸死人嘛?
笑话的本意是讽刺简单问题复杂化。然而,利用专业知识把简单问题复杂化,其实是极重要的能力。只有通过这个过程,才能触类旁通,最后甚至让复杂问题简单化。

雨滴固然不能砸死人,那为何蚊子也能在雨中穿梭自如?

这很奇怪。
蚊子重约2毫克,而一滴雨的重量可达其五十倍,下落速度每秒数米。若按人类体型换算,无异于行人被重型卡车迎面撞击。

科学家发表了一篇论文, 专门研究这个问题。
————————————————
科学家估算,暴雨中飞行的蚊子,大约每隔25秒就会被雨滴结结实实地砸中一次。

若把蚊子固定在树枝上承受撞击,雨滴被迫瞬间停止,动能转化为冲击力,可达蚊子体重的一万倍,足以将其碾碎。但雨中的蚊子,并未被固定,这是生存的前提。

你全力打出一拳。如果打在沙袋上,拳头瞬间停止,你疼得嗷嗷叫。但如果打在羽毛上,羽毛只会贴在拳头上。

雨滴撞上蚊子,几乎不减速地推着蚊子继续下坠。

雨滴只是稍微变形,不会破裂。

————————————————

既然蚊子跟着雨滴一起下落,在接触极短时间内,它的速度必须与雨滴同步。这就意味着蚊子经历了一次极高的加速度,高达地球重力加速度的几百倍。

这对人而言是灾难。飞船返回舱再入大气层时,宇航员也才承受五六倍的重力加速度。

对蚊子则不然。
像蚊子这样的极小质量的生物,重力的影响远不如摩擦力的影响大(专业的说法叫小雷诺数的世界)。
最终落实到蚊子身上的实际冲击力,远远小于蚊子的几丁质外壳所能承受的力量。

————————————————

危机并未解除。如果雨滴正中蚊子背部,蚊子被庞大的水珠包裹在底部,一直这么掉下去,砸在地上,依然会死。它必须在下坠的几厘米内,完成越狱。

其中一个关键在于蚊子的姿态和体表结构。

在坠落时,蚊子向外张开的六条长腿和宽大的翅膀,就像在水滴下方撑开了几把微型降落伞。高速迎面吹来的气流冲击着这些肢体,产生了一股向上空气阻力。

此时,力学上的奇妙失衡出现了。

由于种种原因,蚊子身体两边受到的阻力是不同的。譬如说大自然从来没有绝对的对称。蚊子左右腿伸展的角度、翅膀的位置,哪怕有一点点微小的差异,左右受力都会不均。再譬如气流本身就并不对称。

蚊子体表密布着纳米级的疏水绒毛,水根本无法渗透。这让蚊子和雨滴之间几乎没有流体黏连。

向上的力量一旦偏向一侧,就会迫使蚊子的身体在水滴底部发生一点点倾斜。

身体一倾斜,那一侧的肢体会兜住更多的迎面气流,就会倾斜得更多。这是一个正反馈放大效应。

在侧向推力的作用下,凭借疏水空气垫的润滑,蚊子就像一颗滑溜的芝麻,顺着水滴向侧面滑移。

顺势剥离。
再度振翅高飞。

————————————————

当然,蚊子的这一招也有其物理边界。

如果蚊子飞行时距地面过近,还是会被碾碎。

本身要有一定高度,才能有缓冲和逃生的余地。

————————————————

有时候,人会被不可控制的巨大力量,或者说命运,不经意击中,裹挟着急速下坠。

臣服它。顺从它。不硬扛。不黏连。

全然舒展开来。

气流的阻力迎面而来,从身边滑过。

起初,只是某个方向上,阻力转化成微小的推力。
后来,这推力越发磅礴。

顺势剥离。
再度振翅高飞。

【参考资料】
Dickerson, Andrew K., Peter G. Shankles, Nihar M. Madhavan, and David L. Hu. "Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass." Proceedings of the National Academy of Sciences 109, no. 25 (2012): 9822-9827.
————————————————
不要感到孤独,整个宇宙都在你之内显现。—— 波斯诗人 鲁米(Rumi)
(Do not feel lonely, the entire universe is inside you.)
————————————————
我是雪树,让我们一起撩拨宇宙的琴弦。
————————————————

发布于 湖北