机械能转化的妙用:世界上最快的攻击速度

作者:流火来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-11-09

它是动物界的物理学家。

审核专家:北京师范大学物理系副教授 张宏宝

“云端蝌学课”第

有一种生物,它拥有人类记录中世界上最快的攻击速度,连奔跑速度高达30.56m/s的猎豹,以及游泳速度高达36.11m/s的剑鱼都无法望其项背。你能猜到这是哪种生物吗?

答案揭晓:白蚁!

神奇的白蚁

白蚁可谓是一种非常神奇的生物,与蚂蚁、蜜蜂一样,它们同样是一种社会性昆虫,无数白蚁组成的白蚁族群可以展现出超乎想象的智慧,我们人类的科学家也可以从白蚁身上学到很多知识。

例如,一个白蚁家族就是一个天分很高的建筑师和园艺师,它们建造的蚁穴结构精巧,同时在蚁穴内培养了大量真菌微生物“农场”。蚁穴内部合理的空气流通设计可以保证这些农场所需要的恒温恒湿的条件。

图片 4

非洲公路边的白蚁巢(图源见水印)

图片 5

白蚁巢中生长的真菌(图源见水印)

这不,最近人们又发现,白蚁不仅上过建筑、化学等方面的课程,还是物理学课堂上的优等生呢!白蚁家族的其中一员——新渡户歪白蚁,就凭借一种巧妙的方式,成功地摘得了世界上最快攻击速度的桂冠!

新晋世界冠军——新渡户歪白蚁

首先,让我们来认识一下新渡户歪白蚁(Pericapritermes nitobei):

图片 2

新渡户歪白蚁家族(图源:台湾省国立中兴大学)

图片 1

兵蚁(图源:维基百科)

图片 9

兵蚁的头部形态(图源:台湾省国立中兴大学)

新渡户歪白蚁是我国台湾省的原生物种,其兵蚁有着一对狰狞的大颚,其中右侧大颚稍短,左侧大颚稍长,并处于一种显著的扭曲形态。可不要小瞧这对看似畸形的大颚哦!2020年,来自我国台湾省的科研团队发现,这双大颚可实现高达131.94m/s的攻击速度,一举超越了前任最快攻击速度纪录保持者——卡米拉迷猛蚁(这是一种蚂蚁哦,不是白蚁)的111m/s。而作为对比,我国高铁目前的最快速度也仅仅为105.56m/s。

挤压弹出式的攻击手段:机械能的转化

新渡户歪白蚁的天敌是蚂蚁。当种群受到蚂蚁的威胁时,新渡户歪白蚁的兵蚁便挥舞着狰狞的大颚来保卫它们的伙伴。

在我们的普遍观念中,具有大颚的昆虫,例如锹甲等,一般是通过撕咬的方式来攻击猎物或敌人。

图片 8

一种锹甲(图源见水印)

但是科学家发现,机智的新渡户歪白蚁却反其道而行之,利用机械能的转化原理来大大提高攻击速度。

在这里,我们先复习一下有关机械能转化的知识(人教版八年级物理上册):

物体由于运动而具有的能,叫做动能,质量相同的物体,运动速度越大,动能就越大;物体由于发生弹性形变而具有的能叫做弹性势能,物体的弹性形变越大,它具有的弹性势能就越大。而动能和势能统称机械能,它们之间是可以互相转化的。

准备好相关知识后,我们再返回“战斗”现场,观察新渡户歪白蚁兵蚁的攻击方式。

攻击过程2

潜藏的兵蚁发出了致命一击(图源:台湾省国立中兴大学)

Δ此图为动图 点击查看详情

攻击过程

大颚攻击过程的慢动作(图源:台湾省国立中兴大学)

Δ此图为动图 点击查看详情

在发起攻击时,兵蚁用右侧的大颚紧紧地挤压左侧的大颚,使得左侧大颚发生剧烈的变形,就像是被压缩的弹簧一样,储存了大量的弹性势能。此时,左右两侧的大颚仅仅凭借相互之间的静摩擦力来保持相对静止状态。当左侧大颚变形到一定程度,突破了最大静摩擦力的限制之后,两只大颚之间便发生了 “打滑”现象。极度变形的左侧大颚内部所存储的弹性势能在一瞬间转化为强烈的动能,从而使其犹如子弹一般猛地弹了出去,最终实现针对目标的致命打击。

如何测量攻击速度:能量守恒

在研究过程中科学家们发现,由于大颚的弹出速度非常快,即使是高速摄影仪也无法捕捉到大颚弹出过程的清晰画面。为了准确地测量大颚的弹出速度,科学家们进行了这样一个实验:让兵蚁用大颚攻击一粒已知质量的钢珠。

图片 12

兵蚁攻击钢珠实验(图源:台湾省国立中兴大学)

攻击钢珠

攻击钢珠的过程(图源:台湾省国立中兴大学)

我们已经知道,大颚弯曲所存储的弹性势能可以转化成剧烈的动能。那么在上述攻击钢珠的过程中,大颚的动能又通过哪些能量形式耗散掉了呢?让我们来捋一捋:

1. 钢珠发生了运动——钢珠的动能(直线运动);

2. 兵蚁自身由于后坐力而发生了运动——兵蚁的动能(既包括直线运动又包括旋转运动);

3. 克服各种摩擦力还消耗了一小部分动能。

假如我们忽略掉克服摩擦力所消耗的能量,那么根据能量守恒原理,就可以列出以下公式:

Object 1

钢珠以及白蚁的运动速度不快,很容易通过测量获得。这样,科学家们就通过能量守恒原理推算出大颚的实际攻击速度。

上一任世界冠军:卡米拉迷猛蚁

实际上,这种挤压弹出式攻击方法并非新渡户歪白蚁的专利。上一任的攻击速度世界冠军——卡米拉迷蚁(Mystrium camillae)同样采用的是这种攻击方法。

卡米拉迷蚁攻击方式

卡米拉迷蚁的攻击方式(图源:Marc A. Seid et al.)

只不过,它的左右大颚是对称的,也没有出现近乎畸形的形状。由此可见,正是由于演化出了一对形状奇特的大颚,新渡户歪白蚁才可以成功地成为新一任世界冠军。

现在,我们来复习一下:

1. 机械能转化原理:无论是卡米拉迷猛蚁还是新渡户歪白蚁,他们都通过一种大颚挤压弹出的方式来实现超快的攻击速度。在这个过程中,强健有力的大颚通过变形将弹性势能瞬间转化为动能,从而实现对敌人的致命一击。

2. 能量守恒原理:科学家们在研究过程中,采用了能量守恒的原理,间接地测量出了新渡户歪白蚁的攻击速度。

这些知识来自于人教版八年级物理下册第十一章第四节(机械能及其转化)以及九年级物理第十四章第三节(能量的转化和守恒),同学们要好好学习相关知识哦!


参考资料:

[1] 澎湃新闻, “白蚁危害”调查报告:四川174个古镇有112个正遭侵袭, https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_9554178,2020.

[2] Kuan, K., Chiu, C., Shih, M. et al. Termite’s Twisted Mandible Presents Fast, Powerful, and Precise Strikes. Sci Rep 10, 9462 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-66294-1

[3] 八年级物理下册,义务教育教科书,人民教育出版社

[4] 九年级物理,义务教育教科书,人民教育出版社


版权信息