细菌不游蛙游

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不同体积生物的雷诺数
不同体积生物的雷诺数

夏天到了,游泳池中多起来的不只是人,还有细菌。虽然同在一个池中游泳,但是我们的肉眼看不见它们,它们所采用的游泳姿势也和我们不同。对我们来人说,在水里蹬一蹬脚,划一划手,总能往前游上一两米。只要收脚和收手的动作慢一点,就不会倒退,再一蹬一划,人就能继续前进。这是蛙泳。但是对细菌们来说,做这么一套动作只能原地不动(假如它们也有手和脚的话)。因为它们收脚收手那一下无论做得多慢,都能把它们重新拉回原处,所以它们来回地蹬腿和划手,只能在原地晃来晃去。难道在它们的世界有一套不同的物理定律?

不同的不是物理定律,而是一个小参数——雷诺数。它反映的是物体惯性和流体粘度重要性的比重。雷诺数越大,说明惯性的作用越大,流体粘度的作用越小。人、鱼、蛙等宏观生物在水里游泳,雷诺数的值都是几千几万的,这说明惯性的作用远大于粘度的作用,水的粘度几乎不用考虑,腿一蹬,光靠惯性就能跑很远。但是对于细菌来说,雷诺数则为几万分之一,粘度的阻力是主要的,惯性则几乎没有用。对它们来说,在水里移动,相当于人要在浆糊里游泳一样困难。

1977年,E. Pucell提出了一个定律:在低雷诺数条件下,任何对称的周期往复运动都不能实现净位移或净速度。这就是说,细菌可以采用某种不对称的,不回复的运动方式来实现在水中的移动。事实上的确是这样的,那些长有长尾巴的细菌,就是用一个马达把尾巴往一个方向甩动实现速度的,还有的细菌通过不断地呑吃和排泄来实现移动,这些都是只有一个方向,不对称、不往复的运动。科学家们还在积极地建立类似地模型进行试验,为将来能制造出在体内自主移动的医用微型机器人。

E. Pucell的涂鸦
E. Pucell的涂鸦