一个数,比较滑行和黏滞
在泳池里蹬一下池壁,人能滑出一个身长左右。水能载着你走,是因为身上的动量要花一点时间才耗完。要是把你缩到细菌那么大,同样的水会把你牢牢拽住,几乎一瞬间就停下。
物理学家用雷诺数比较这两种作用。把泳者的大小、速度和水的密度乘起来,再除以水的黏度,就得到雷诺数。黏度描述液体有多黏,蜂蜜比水难搅,就是因为黏度大。雷诺数大,惯性占上风,物体能滑行;雷诺数小,黏性占上风,推力一停,运动也停。
1977 年,Purcell 在一次演讲里给出了粗略的数:人游泳时雷诺数约一万,金鱼约一百,游动的微生物约万分之一。人和微生物之间,隔着八个数量级。
滑不出一个原子
Purcell 细算过一个例子。一个一微米大的小动物,在水里以每秒三十微米的速度游,雷诺数约十万分之三。它突然停止划动,只会再滑大约十分之一埃,比一个原子的直径还小得多。
这个量级可以自己粗略验算。半径一微米、密度和水差不多的小球,大约五分之一微秒就失去速度。按每秒三十微米算,这段时间里它走不到十分之一埃,和 Purcell 的结果在同一个量级。
Purcell 还把情景倒过来讲。想体会微生物的处境,就想象自己泡在一池糖浆里,身上任何部位每分钟都动不过一厘米。如果在这种限制下,两三个星期还能游出几米,你就是在用微生物的方式游泳。
只有眼前这一下推力算数
Purcell 用一句话概括后果:你此刻在做什么,完全由此刻作用在你身上的力决定,和过去毫无关系。微生物身上没有攒下的动量可用,每一瞬间的速度都由那一瞬间的受力决定。
这对划水方式有个出人意料的影响。鱼可以快速向一边甩尾,再慢慢收回,快的那一下占便宜。对微生物来讲,划得快慢都一样:手臂慢慢动和快快动,身体走过的距离相同。于是,一个原样倒回去的动作,会把身体带回出发点。Purcell 把这叫作扇贝定理,第三章会证明它。
微生物照样能游。细菌转动螺旋形的鞭毛,精子沿尾巴传出弯曲的波,这门课里的简单模型则让三颗小球沿着一个圈改变间距。这些动作有个共同点:去的时候和回来的时候不一样。
扑翼会在身后留下尾迹
雷诺数高的时候,运动的物体把动量交给流体,流体会一直带着它。扑动的翅膀甩出一个个旋涡,翅膀过去很久,旋涡还在往前漂。这些旋涡带走的,正是翅膀交给流体的动量。
在微生物的世界里,什么也留不下。划动一停,身边的流动也跟着停。下面两个实验看起来差别很大,原因就在这里:扑翼每拍一次,尾迹都还在继续变化;三球泳者的小球,只在手臂长度变化时移动。