本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映的是作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点。
想象一下,你拥有像昆虫一样的翅膀。有一天,当你嗡嗡地飞过空中时,你听到远处传来雷声,突然你从上方受到了袭击。巨大的水滴倾泻而下,有些重如校车。你扭动身体,试图躲避这阵猛烈的攻击,但最终还是有一滴水珠击中了你的翅膀中间,你开始向地面坠落。
对于蚊子来说,这种情况并不罕见。当暴风雨来临时,蚊子不得不与接近它们大小但质量高达普通蚊子50倍的雨滴(相当于人和校车之间的差异)作斗争。蚊子如何应对这些“死亡之滴”是本周《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究的主题。佐治亚理工学院机械工程和生物学教授胡立德(David Hu)及其团队设计了一些相当非正统的方法来确定蚊子如何在水滴撞击中幸存下来。胡立德的团队使用高速摄像机轰击按蚊,以每秒 4000 帧的速度捕捉了由此产生的动作(典型的胶片摄像机每秒仅记录 24 帧)。
他们发现,蚊子实际上很擅长应对雨滴,即使是翅膀之间受到直接撞击也是如此。与雨滴的质量相比,蚊子非常轻,这意味着雨滴会将蚊子向下推,而不是将其击碎。由于雨滴的速度变化不大,因此传递给蚊子的力很小。相比之下,如果雨滴击中较大的昆虫,例如蜻蜓;雨滴会撞碎在它的背上,由此产生的力会传递到昆虫的外骨骼中。更重要的是,蚊子的身体上有疏水性毛发,伸展开来的腿会产生阻力。这使其能够在被雨滴完全击中之前滑脱。
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然而,胡立德的团队还发现,蚊子并非完全不受与雨滴碰撞时产生的力的影响。当雨滴与蚊子接触时,它会使蚊子急剧向下加速,以匹配雨滴每秒九米的终端速度。这发生在仅约 10 毫米的距离内,会对昆虫的身体造成巨大的压力,高达 300 个重力加速度(2942 米/秒²)。相比之下,喷气式战斗机飞行员在完成“筋斗”动作时,仅承受约 9 个重力加速度(88 米/秒²)。
这种快速加速也给蚊子带来了最大的风险:贴近地面飞行。当被雨滴击中时,它们会以巨大的力量加速撞向地面,并且没有足够的时间从雨滴下脱身。而这正是胡立德的研究的实际应用所在。近年来,我们已经看到了许多非常小的军用飞机的发明,称为微型飞行器 (MAV)。如果这些飞行器变得像蚊子一样小,它们将面临与飞行昆虫相同的危险,包括暴雨。