作者/刘永坤本文转载自案例科学期刊《鸭子游泳为什么要排成一排？》
水禽宝宝游泳时经常会自动排队。图：Pixabay在湖边散步时，有时会看到鸭子一家在水里游来游去。如果你仔细观察，你会发现小鸭子们并不只是跟着母鸭走，而是排着整齐的队列行进。是鸭子的家庭教育很严格，还是背后有什么别的原因驱使他们这么做？
生物的特殊行为背后通常有其独特的意义，在漫长的进化中会保留下来。如果问小鸭子为什么游在母鸭后面，我们心里可能有几种解释：也许母鸭可以保护小鸭子？或者排队可以帮助小鸭子省力？等等。
在自行车比赛中，骑手会组成一个队伍，第一个骑手负责破风，让后面的骑手受到更少的空气阻力，节省能量。大雁在长途迁徙时也会形成V字形，让后面的大雁更加省力。不难想象，小鸭子游在母鸭后面，大概是为了省力。经过研究人员的测量，这一猜测得到了证实。但是为什么鸭子排成一条直线，而鹅是V字形；如果能省人工，能省多少？这些问题出现在流体力学领域著名的《流体力学期刊》年9月的一篇论文中，研究人员用简化的数学模型进行了详细的研究。
首先，鸭子游泳与自行车、大雁等运动有一个明显的区别：后两种运动发生在空中，而鸭子在气水界面。母鸭在水里游的时候，会在后面形成水波，就像小船后面会出现的“尾波”。由于处于水波的正确位置，小鸭子有机会获得向前的推力，这大大减少了跟上母鸭所需的能量。所以如果要在脑子里打个比方，小鸭子其实更像冲浪而不是骑自行车的人！
尾波冲浪利用船只的尾波。冲浪者如果能在尾浪上保持正确的位置，自然会被向前推，小鸭子也会用同样的技巧省力。图/PEX ELS
「冲浪」的鸭子们
接下来，我们来看看母鸭引起的水波是如何帮助小鸭子们更省力地前进的。节省能量意味着小鸭子会被向前推。所以，我们先从小鸭子在水中受到的力说起。图1 (a)显示了一只鸭子在静水中的受力情况。水中主要的力是水压，水压与水深成正比，方向垂直于物体表面。我们可以看到，对于一只对称的鸭子来说，力是前后抵消的，只剩下一个向上的力，就是水对鸭子的浮力。鸭子遇到水波会怎么样？图1 (b)和(c)分别对应于水波不同位置的鸭子。我们可以发现，在(b)中，除了向上的浮力，还有向后的拉力，即水波倾向于阻止鸭子前进；在(c)中，情况正好相反。合力会给鸭子一个向前的推力。所以领头的母鸭在水中前进时，后方会形成水波。如果小鸭子能在水波中处于正确的“加速阶段”(如C的情况)，那么它们就能赶上这辆“下游车”！
图一。鸭子在不同水面上的受力示意图(绿线：水面位置；蓝色小箭头：表示压力方向；浅蓝色粗箭头：合力方向。)(a):静止水面下，鸭子受到向上的合力。(b)、(c)在水波的情况下，由于水面的变化，合力可能向前或向后移动，给鸭子阻力或推力。从上面的描述中，我们知道“加速/案例”的存在与领头鸭产生的波浪密切相关。所以，我们先了解一下，物体在水中运动，那些地方会有波动。
当读者乘船或在水中看到移动的物体时，他们可能会注意到这一点。以一艘船为例，形成的波浪大致可以分为两个区域：船前和船侧的首浪，船后的尾浪(图2)。所以加速阶段其实不仅存在于母鸭的后方，也存在于小鸭的前浪或侧浪。但这两个位置都有各自的问题：首先，由于侧面的波浪是左右不对称的，这里的小鸭子所受的力，除了前后方向，还会有左右方向的力，很容易将小鸭子推出合适的加速位置；虽然前面没有左右力，但是只有离母鸭很近的时候才能产生水波，所以小鸭必须离母鸭很近才能享受省力的效果。此外，该生物倾向于保护成熟个体后面的幼体，母鸭的正面并不是一个好位置。综合以上考虑，最适合小鸭的选项是母鸭正后方的浪！
图二。运动物体产生的水波示意图。(a)在帆船的侧面和后部可以看到可见的波浪。(b)加拿大鹅在水中游泳，在鹅的前面和侧面(黄色虚线)和后面(白色虚线)产生水波。图片来源
：笔者后製于 Pixabay 公开图片。 图／Case 科学报
研究者藉由电脑模拟计算发现，在母鸭后方的第一个加速相位效果最好，和自己游泳相比，除了原本受到的水阻力可以被完全抵消，还能够获得额外约 60% 的推力。距离母鸭愈远的位置，由于水波的振幅逐渐减小，因此加速的效果会逐渐降低。那会不会排在最后面的小鸭子，就非常吃亏呢？研究者发现排在前头的小鸭子，并不只是躺着享受向前的推力，牠们在水中运动会产生的水波和母鸭的水波叠加在一起，综合起来的效果便可以帮助母鸭将产生的波动「传递下去」，如此形成一个整齐的鸭子队列！
有趣的是，本篇论文的作者中有着不少船舶工程的专家，在论文结尾处提到本研究对于船体的省力设计也许能激发不同的创意。大自然经过了数十亿年的演化，形成了许多看起来「理所当然」的现象，但这其中其实藏有非常多值得人类学习的巧思与创意，等着我们更深入的探索。
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