2024年9月13日 星期五

無序之美 超乎科普的好書,1003 周四晚 Hanching Chung 背後主角施奇廷教授是 2022 台灣物理學會「傑出物理教育獎」得主。

 1. 這位廖教授絕對不是南港院長。只是名字一樣。

2. 鱒魚的 gait 不該叫步態。也許該叫體位。


經我講解是否更應得奬。。。。


其實這和仲崇厚教授要來講的《無序之美》

很有關係。

鱒魚是經由水這個流體的整個環境的性質

來決定牠的體位的。

如果不是一條鱒魚的行為,

而是一群鯡魚的行為,

則任何一條鯡魚也都是

用同樣的機制決定自己的體位:

在局部可以感受到來自環境

(水流、障礙物、其他的魚)

的所有影響因素。

而對這所有交互作用的整體的感知,

決定了集體行為呈現出來的樣子。


Parisi 告訴大家的一個重點就是:

這樣的交互作用無法化約成用基礎交互作用

(水分子對水分子、水分子對魚分子、魚分子對魚分子。。。。)

所能解釋的物理理論。


崇厚教授一共整理出三個大重點,

已經寫在他為《無》書寫的導讀之中。

以上是第一個重點的例子。

但只抓大重點畢竟還是不夠過癮。

我們一定還有很多可聊的細節。


十月三日周四晚間(六點半或七點尚未敲定)

唐山講座,仲崇厚教授談《無序之美》。



。。。

東海大學應用物理系

Hanching Chung 背後主角施奇廷教授是 2022 台灣物理學會「傑出物理教育獎」得主。


今年的搞笑諾貝爾物理獎頒給了美國佛羅里達大學生物系的James C. Liao教授,得獎的研究是「死掉的鱒魚還可以游多遠」…


咦?死掉的鱒魚還可以繼續游啊...


這當然是頒獎單位為了製造效果所下的標題啦!其實廖教授做的研究是:「為什麼魚類可以用很高的效率游泳」。得獎理由說的「死魚游泳」,主要是發表在2004年9月的「實驗生物學期刊」(Journal of Experimental Biology),20年來廖教授持續這個問題的研究,一直到今年都還有相關的論文發表。


我們小時候都有讀過「偉人看到小魚逆流而上,於是立志長大要當偉人,後來真的變成偉人」的勵志故事,魚類在水中的游泳的能力確實令人驚奇。無論是逆流而上還是順水滑行,貌似都能輕鬆駕馭水流。2004年這篇主要的獲獎文章,就是探討鱒魚在流體動力學中的「卡門渦街」(Kármán vortex street)環境中,如何輕鬆的游泳,減少能量消耗。


卡門渦街是什麼呢?當流體經一個圓柱形障礙物時,會產生交替的渦流並且脫離障礙物兩側,在後方形成一條渦流鏈,稱為「卡門渦街」,因為這一現象由物理學家卡門(Theodore von Kármán)所提出。


廖教授的研究顯示,魚類能夠巧妙地利用卡門渦街來提高游泳效率。他用一個有圓柱體障礙物、可以調節水流速度的水槽來製造卡門渦街,然後把虹鱒放進去,發現鱒魚在渦街中會自動調整游泳模式,得到更高的能量效率,這種模式稱為「卡門步態」(Kármán gait,當然啦,魚類沒有腳,這裡所謂的「步」態指的是牠行進的姿態與動作)。


他用精密的肌電圖(EMG)記錄鱒魚在卡門步態中肌肉的活動狀態,發現「軸向」(前後向)肌肉活動顯著減少,只有位於體長的前40%的肌肉保持活動,而尾部肌肉則幾乎沒有活動,而以與渦流的脫落頻率(2.87 Hz)接近的頻率(2.21 Hz)擺動,可見在卡門渦街中,魚類的動作有一大半是被動的順著水流而行,減少了自身肌肉運動。


為了進一步驗證魚類在卡門渦街中多數的動作是被動的,廖教授進行了「死魚對照實驗」。把剛死掉的虹鱒用線綁著拖曳在渦街區域,觀察其動態(沒錯,死魚沒有在游泳啦!只是綁在那邊而已,又不是殭屍…)。結果顯示,死魚在渦街中產生類似活魚的擺動模式,且尾巴擺動的頻率(2.77 Hz)與渦流的脫落頻率更加接近(因為死魚完全是隨波逐流)。


不過死魚畢竟是死的,無法像活魚一樣微調自己的肌肉來維持身體的穩定,容易產生翻滾和不穩定的姿態,因此難以長時間在渦街中保持穩定。


比較死魚跟活魚在卡門渦街中的運動模式,證明了魚類在卡門渦街中的運動至少有一部分是被動被水推著走的,因此能夠減少能量的消耗,主要花的力氣是在微調動作於保持穩定方面。


這就是搞笑諾貝爾物理獎「死掉的鱒魚還能游多遠」的研究真正的內容,老實說是挺正經的,不過廖教授拿到這個獎,在頒獎典禮上也是笑得非常開心就是了!


超中二物理宅雜記

話都給我說就好 其之448


圖上:拿著鱒魚模型,開心領獎的廖教授(來源:美聯社)


圖下:(左)在圓柱形障礙物(上方圓形)後方,水流形成了卡門渦街(來源:維基百科)。(中)本次得獎的「死魚游泳」實驗,A:卡門渦街中的死魚動態,B:卡門渦街中的活魚動態,C:平靜水流中活魚的游泳動態。(來源:Journal of Experimental Biology)(右)一直到現在,廖教授依然致力於研究魚類的生理構造以及游泳效率之間的關係。(來源:Current Biology)



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