企鹅物理学：了解企鹅水下转弯机动的机理

企鹅构成了一个迷人的不会飞的鸟类家族，虽然在陆地上有些笨拙，但它们是非常有天赋的游泳运动员。几十年来，它们在水中令人难以置信的机动性一直吸引着生物学家，关于它们游泳的第一次流体动力学研究可以追溯到 1970 年代。

尽管极少数研究已经阐明了企鹅灵巧背后的一些物理学，但其中大多数都专注于向前游泳而不是转弯。虽然有人可能会争辩说，关于飞鸟转动机制的现有研究可以阐明这个话题，但水的密度是空气的800倍，因此这些介质之间采用的转动机制可能非常不同。

为了弥合这一知识差距，东京工业大学(Tokyo Tech)的两位日本科学家，包括副教授田中广人(Hiroto Tanaka)最近进行了一项研究。这项工作发表在《实验生物学杂志》上，其主要目标是更好地了解使企鹅能够在水下转动的三维(3D)运动学和流体动力。

研究人员使用十几个或更多的水下摄像机记录了两次Gentoo企鹅(Pygoscelis papua)在日本长崎企鹅水族馆的一个大水箱中自由游泳。然后，由于一种称为3D直接线性变换的技术，他们能够整合来自所有镜头的数据，并通过跟踪企鹅身体和翅膀上的各个点来进行详细的3D运动分析。

有了这些数据，研究人员随后建立了企鹅的数学3D身体模型。该模型涵盖了车身的方向和角度、每次冲程中机翼的不同位置和运动、相关的运动参数和流体动力以及各种转弯指标。通过统计分析和与实验数据的比较，研究人员验证了该模型，并深入了解了机翼和其他身体运动在转弯过程中的作用。

该研究的主要发现与企鹅如何产生向心力以协助它们的转弯有关。他们通过保持向外倾斜来实现这一目标，这意味着他们倾斜身体，使其腹部朝内。在动力转弯中 - 企鹅扇动翅膀的转弯 - 大多数方向变化发生在上冲程期间，而向前推力发生在下冲程期间。此外，事实证明，企鹅在动力转弯时会以一定的不对称性扇动翅膀。

“我们发现机翼运动的对侧差异;转弯内侧的机翼在上冲程期间变得比其他机翼更高，“田中副教授解释说，”机翼力的准稳定计算证实，机翼运动与向外倾斜的这种不对称性有助于在上冲程期间产生向心力。在接下来的下冲程中，内翼产生推力和反向偏航扭矩以制动转弯。

总体而言，这些发现有助于更好地了解企鹅在游泳时如何转向，这从生物学和工程学的角度来看都是相关的。然而，田中副教授评论说，这些发现只带来了一块拼图：“企鹅其他各种动作的机制，如快速加速、上下俯仰和跳出水面，仍然未知。我们的研究是进一步了解更复杂的操作的基础。

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