“我像只鱼儿在你的鱼塘” 鱼的力气有多大?

科普中国-科普融合创作与传播 2021-08-10

  出品:科普中国

  制作:之遥科普

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  最近各大平台钓鱼的视频非常火热。除了大佬爆竿的视频之外,普通钓友“翻车”的视频也很受欢迎:一百多斤甚至两百多斤的钓鱼人,动不动就被鱼给拽下水了!

  

  这对于没钓过鱼的朋友来说,可能会感觉到不可思议:

  把他们“拉下水”的鱼,可能是几十斤甚至才十几斤,和人相比根本不是一个重量级。

  鱼哪儿来这么大力气?体重只有十几斤的鱼为什么能将十倍于自己体重的人拉下水呢?

  鱼鳍的秘密

  鱼咬钩后,人和鱼的Battle就是力气的比拼。人得靠肌肉使劲儿,靠着身体的姿势来把控方向,而鱼的鳍可以同时起到提供力量、调控方向的双重功能。

  作为被定义成终生生活在水里、用鳃呼吸、用鳍游泳的脊椎动物,鱼类包括圆口纲、软骨鱼纲和硬骨鱼纲等三大类群。

  

  鱼的外观(图片来源:人教版生物必修一)

  以生活中常见的硬骨鱼为例,鱼身体表面分布着大小、形状各不相同的鱼鳍,分别为背鳍、胸鳍、腹鳍、臀鳍、尾鳍,一般常见的鱼类都具有上述的胸、腹、背、臀、尾等五种鳍。

  其中,尾鳍在提供前进的动力的同时,也决定着前进的方向。如果失去尾鳍,鱼类就无法改变行进的方向了。而胸鳍相当于陆生动物的前肢,对鱼类具有运动、平衡和掌握运动方向的机能,当鱼失去胸鳍时,鱼体会左右摇摆不定。

  腹鳍相当于陆生动物的后肢,具有协助背鳍、臀鳍维持鱼体平衡和辅助鱼体升降转向的作用。背鳍用于保持鱼体侧立,对鱼体平衡起着关键作用,若失去,会失去平衡而侧翻。

  但也有些体形长的鱼类,可以通过背鳍和臀鳍协助身体运动,并推动鱼儿急速前进。如带鱼的背鳍、电鳗的臀鳍、海鳗的背鳍和臀鳍都能推动鱼体向前运动;臀鳍还可以协调其它各鳍,起平衡作用。若失去它,鱼身会轻微摇晃。鱼类的运动与体形和鳍的变化有着非常密切的关系。

  鱼鳍是鱼类运动最主要的动力来源。当然,鱼的力气大小受到多方面因素的影响,它和鱼本身的大小也相关。一般来说,小鱼的爆发力更强,但并不持久,大鱼发力较慢,但力气很大、难以控制,这一点,相信钓鱼爱好者们肯定深有感触哦。

  人会蛙泳蝶泳不算啥 鱼还会“波浪泳”“喷水泳”呢!

  能把钓鱼人拽到水里,这和鱼儿们都是“水中健将”息息相关。要想做到“如鱼得水”,自在游动,鱼儿还得在通过鱼鳍获取力量的基础上,组合出不同的运动方式后,才能游出完美的泳姿。

  而鱼儿的运动方式有这样几种:

  (1) 利用躯干部的肌肉收缩和尾鳍的摆动来游泳;

  (2) 依靠胸鳍等的摆动划水运动;

  (3) 利用鳃孔向后喷水引起的反作用力使鱼体向前游。

  实际上,后两种游泳方式并不常用。胸鳍等的摆动划水方式一般用于在流水中静止的情形中。当鱼位于流水中保持静止时,不需要使用尾鳍,胸鳍的摆动产生轻微推力就能让它们保持静止;而鳃孔喷水一般只有在遇到危险时,鱼儿想要“逃之夭夭”,才会使用。

  

  鱼的游动 (图片来源:wirefax)

  鱼类利用躯干部的肌肉收缩和尾鳍的摆动来游泳的方式,被称为波状摆动推进,大部分的鱼类和水生哺乳动物(鲸鱼、海豚等)都采用这样的方式。前进时鱼体弯曲,会形成逆前进方向的行波,当行波速度大于前进速度时就会产生向前的推力。

  波状摆动推进又分为鳗鲡模式、鲹科模式和月牙尾推进模式。

  典型的鳗鲡模式就像水蛇在水中前进一般,身体从头至尾不断作幅度相同的摆动。

  而生活中,最常见的鱼儿游泳方式是鲹科模式,在游动过程中,鱼体前部分基本不动,从中部开始至鱼尾进行摆动,且摆动幅度从中部至鱼尾逐渐增大。

  月牙尾模式则出现在海豚、鲸鱼身上,它们主要通过巨大的月牙形鱼尾来实现推进,不断向前游动。

  通过波状摆动获得前进动力的鱼类,会在身体表面形成一层旋转的水流,被叫做“涡”。当鱼向前运动时,涡会沿着鱼身向后滑动,在鱼尾处脱落。神奇的是,规律脱落的涡能继续在水中运动,为鱼提供向前游动的推力,这就是“反卡门涡街”现象。

  

  卡门涡街现象(图片来源:Dr. Maarten Rutgers)

  鱼的力气能把人拽水里 是怎么做到的?

  有了鱼鳍,鱼儿有了力气,也有了控制方向的工具;有了多样的游泳方式,鱼儿才能行动自如。二者为鱼儿在与钓者的博弈中化身“大力水手”提供了由内而外的基础。但除了鱼鳍和游泳方法之外,钓鱼时“人-鱼-钓竿”三者的受力关系也起到了至关重要的作用。

  实际上,三者形成了我们熟悉的力学系统——杠杆。当鱼咬住鱼钩后,钓鱼人将鱼竿立起,鱼竿、人手、鱼就形成了一个杠杆体系。当竿尾触地时,竿尾与地面接触点为杠杆支点,两只手向后发力,鱼竿本身为杠杆,竿头鱼线向前发力,杠杆,形成!

  

  鱼竿杠杆示意图(图片来源:作者自绘)

  据图所示,当鱼咬钩后,人将鱼竿提起至与地面成90°夹角,鱼受到惊吓向前运动,会产生两倍于自身体重的拉力作用在鱼线上,非常难以控制,这部分拉力就需要我们用胳膊使劲儿来平衡。

  一般来说,钓鱼时是坐姿,手握竿位置大约与肩齐平,高度大约为1米。若鱼竿长度以5米来计算,通过杠杆原理可以计算得出,人需要付出大约相当于鱼体重十倍的力量,才能将鱼拉住,这可不是小数字!如果上钩的鱼体重为5KG,那么就需要钓鱼者瞬间使出50KG的力量来保证自己不被鱼拉下水。

  当然,上述情况建立在钓鱼人用蛮力“硬拉”的情况下。实际钓鱼中,可以通过“8字溜鱼”等技巧来减少和鱼正面对抗。所以,爱钓鱼的小伙伴们注意了,用蛮力硬拉很可能断线断竿,甚至被鱼拉下水哦!

  

  当鱼咬钩后,竿子由于各种原理无法立起,人只能通过变成水平方向的鱼竿来拉鱼,这样的情景被称作“拔河”。此时,由于人发力方向和鱼发力方向基本共线,杠杆作用并不存在,人所需要的拉住鱼的力也并不是很大。可是,“最轻松的姿势往往最危险”,这种情况往往是最容易被拉下水的,为什么呢?

  

  图片来源:钓鱼吧

  首先,出现“拔河”的状况,一般是因为鱼太大了,鱼竿无法保持直立,此时若想拉住鱼所需的力量本身就很大;再者,鱼竿被拉直时,人的手臂也被拉直了,无法发力,很多溜鱼的技巧就无法施展,钓鱼人只能用蛮力和鱼对抗,真是“巧妇难为无米之炊”。

  此外,钓鱼时人一般为坐姿,此时在水平方向上人的着力点太少了,即使有力也使不出,因此在“拔河”的情况下,人很容易被鱼拉到水中,从“你钓鱼”变成“鱼拽你”。

  在熟知“人-鱼-钓竿”的力学原理上,运用适当的“溜鱼”技巧不但能让咬钩几率增加,还能降低将鱼拉上岸的难度。总而言之,钓鱼是一项和鱼儿“斗智斗勇”的运动,用蛮力可是很难在和鱼的拉锯战中取胜。

  参考文献:

  1. 丁进. 尾鳍空间摆动推进理论研究[D].江苏科技大学,2018.

  2. 朱君. 仿鯵科鱼尾部推进系统的理论研究[D].江苏科技大学,2016.

  3. 乔晓冬. 鱼类游动的N-S方程数值模拟与推进机理探索[D].西北工业大学,2007.

  4. 夏全新,鲁传敬,吴磊.鱼类波状摆动推进的数值模拟[J].水动力学研究与进展(A辑),2005(S1):921-928.

责任编辑:王超

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