原力再现:科学家发现蜘蛛仅靠电场就能起飞,连风都不需要

2022/3/19 13:14:11 来源:量子位 作者:博雯 责编:问舟

现在,科学家们终于搞懂蜘蛛是怎么飞行的了。

哦不对,放错了,是这个:

加州大学的科学家们假设,蜘蛛虽然没有翅膀,但却可以依靠自己吐出蛛丝的负电荷,以及地球大气中的正电势场形成的电场来飞行。

基于这一假设,研究团队正经进行了受力分析和数值模拟,实验结果发表在统计物理学、非线性物理领域的期刊 Physical Review E 上:

对此网友们热烈讨论,并表示:蜘蛛统治世界的时代已经不远了!

不过在蜘蛛真的统治世界之前,还是让我们先来看看它飞行的原理。

(本文不含任何蜘蛛高清图,读者可放心食用)

蜘蛛如何靠电场飞行?

首先,科学家们建立了一个包括粘性力、蛛丝、蜘蛛的重量和尺寸、静电上升力、排斥力以及弹性弯曲力的三维数值模型,以探索蜘蛛蛛丝在气流中的膨胀和展开的动力学。

如图所示,一个吐出蛛丝的蜘蛛可以被简化为这样一个模型:

一个直径 2 毫米左右的实心球体,顶部有 2、4 或 8 条距离十分接近(100 微米)的丝线,开始为垂直方向,每根线都附有电荷。

关于丝线上是如何带上静电荷的,研究人员认为,这可能是在蜘蛛制作蛛丝的过程中迅速加载电荷,或在制作完成之后,吐丝时与气流产生的摩擦。

为了研究流体结构与电场的相互作用,数值模拟涉及到三个部分:

  • 通过离散弹性棒(DER)方法计算线的弹性变形,即弯曲、扭曲和拉伸等等

  • 阻力理论(RFT)方法计算蜘蛛和丝线上的流体动力学的粘性力

  • 由大气电位梯度和丝线电荷引起的静电力

具体而言,在数值模拟中,蜘蛛被建模为一个弹性棒网络。其中一个节点 x0 代表蜘蛛身体,每条线有 Nt 个节点。对于一个有 nt 条线的蜘蛛,节点的总数是 ntNt+1,两个连续节点之间的向量是边,每个线程由 Nt 条边组成:

边的拉伸、弯曲、旋转则采用这样一种框架来分析:

在模拟实验中,蜘蛛从地面静止,然后开始被电场“提起”。

带电的、最初的丝线会附着在蜘蛛身上,丝线之间的相互排斥会导致它们在一段时间内分开。随着蜘蛛向上加速,向下的阻力会增加,和蜘蛛本身的重力一起抵消向上的力。

最终,团队中的研究人员 Charbel Habchi 下了定论:

我们认为,至少小型蜘蛛在没有任何上升气流帮助的情况下,完全可以通过电场悬浮。而体型较大的蜘蛛则需要向上气流的推动。

“懂了,蜘蛛会用原力”

对于这项研究,广大网友身体力行地上演了一波真・震惊体。

我震惊地张大了嘴,但又害怕有一百只小蜘蛛飞进来。

巨大的蜘蛛群笼罩并袭击了整个北乔治亚区和周边地区。这真是个不错的科幻概念。

下面有人回复道:别再说了,我要 yue 了……

而星球大战梗也虽迟但到:

所以蜘蛛会使用原力。

论文:

https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.105.034401

参考链接:

[1]https://physics.aps.org/articles/v15/31

[2]https://www.reddit.com/r/science/comments/takn5y/spiders_use_electric_fields_to_fly_and_we_may/

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关键词:科普科学电场

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