星天地

不同稳定分离距离条件下的涡量图

　　自然界中很多动物都存在集群运动行为，比如鱼和鸟。在这些司空见惯的现象背后，存在着很多科学上的未解之谜。其中物理学家最为关心的两个问题是：首先，作为流体中的自推进系统，它们形成稳定结构的机理是什么；其次，稳定结构的集群式运动是否有利于降低个体的能耗。

　　中科院力学所非线性力学国家重点实验室的研究人员通过前后放置的两个细丝，来考察自主推进物体在流体中的相互干扰问题。他们在两个细丝的头部施加垂直方向的简谐振动来产生驱动，在水平方向则不设置任何约束。通过数值模拟的方法，他们研究了这样两条前后游动的“机械”鱼之间的相互作用。

　　该项研究有两个重要发现：一是在两者的驱动频率和振幅完全相同的条件下，两条“机械”鱼会自发形成稳定的分离距离。此时，后面游动的细丝始终从前面细丝形成的尾涡的涡核中穿过。二是驱动前面细丝所需的功率始终大于或等于驱动后面细丝的功率。后面运动的细丝省力的原因在于前面细丝的尾涡结构在垂直于前进的方向上产生了较大的诱导速度，从而有利于后面物体在运动中“借力”。在尾涡结构有利的情况下，驱动后面细丝游动的功率仅相当于前面细丝的80%。

　　研究揭示了自推进物体在流体中以涡为媒介实现长程相互作用的机理。这个关键机理的发现对于我们深刻认识鱼群等宏观自推进系统的自组织行为具有重要的意义。

　　（原载于《中国科学报》 2015-01-05 第6版 进展)