企鹅走路为什么会摇摇晃晃?

2021年01月27日 11:09 次阅读 稿源:中国科普博览 条评论

都说企鹅可爱,人们之所以觉得它可爱,一部分是因为它憨态可掬,配色和熊猫一样都是黑白相间的,另一部分是因为它走起路来摇摇晃晃。走路晃头晃脑的,在冰面上行走自然容易摔倒。不过企鹅为什么要左右摇摆呢?为什么就不能好好走路呢?

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左右摇晃看着就很浪费能量…… 图源:giphy

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哎呀我摔倒了 图源:giphy

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摇摆不是卖萌,而是为了提高行走效率

加州大学伯克利分校的 Timothy m。 Griffin 和科罗拉多大学博尔德分校的 Rodger Kram做了一个研究,关于企鹅走路的力学分析。他们发现企鹅这么走路是为了提高能量的利用效率。

是不是觉得不可思议?因为企鹅走路看起来其实很不高效,企鹅是要向前走的,但它却向左右方向摇晃,左右摇晃和前进是矛盾的,感觉能量被分走了一部分给左右摇摆。

在介绍实验之前,先来讲讲行走效率是怎么一回事。

行走效率不仅仅取决于肌肉和骨骼的形态,还取决于如何使用它们。人类的步态之所以高效,是因为我们每走一步都会轻微地向前倾斜,借助重力推动我们前进。如果我们不利用重力,单纯靠肌肉的发力,那么我们就要多花费65%的能量。这65%也被成为能量回收率。

接下来介绍实验,科学家去海洋公园那里找了5只帝企鹅,连哄带骗地把人家引到了一个专门为企鹅设计的“跑步机”上。这个跑步机可以测试企鹅每一步的力量大小、方向以及移动速度。

研究中,两个科学家测量了帝企鹅行走过程(0.5m/s)中的能量回收率,居然达到了80%,超过了人类的回收效率。不仅如此,研究者还认为企鹅步态是所有陆行动物中能量回收率最高的。

a、b 帝企鹅在0.54m/s行走速度时的重力势能和动能的波动图 c 、dy摇摆的能量回收效率 图源:文献1

a、b 帝企鹅在0.54m/s行走速度时的重力势能和动能的波动图 c 、dy摇摆的能量回收效率 图源:文献1

假如企鹅没了摇晃的侧向运动,那么它的步行效率将会降低很多。因为企鹅的左右摇摆的时候,重心会发生变化,产生重力势能,进而转化为动能。

但企鹅行走消耗的能量是同体型动物的两倍(能量回收率和能量大小是两个值)。

因为它们的腿太短了,而且大部分的腿还藏在了厚厚的羽毛下面,这导致它行走太困难了,耗能高也是自然而然的。

图源:Wikipedia

图源:Wikipedia

和珍珠鸡、鸵鸟一比,你就知道企鹅的腿是多么短小了。

最后,科学家得出结论,企鹅的步态不是因为左右摇晃才耗能高,而是因为腿太短了,相反,左右摇晃是为了弥补腿短的缺陷。

瘦企鹅是怎么走路的?

后来,其他科学家对企鹅步态做了进一步的研究,看看体重变化会不会对步态造成影响。

只不过他们没找帝企鹅,而是找了10只王企鹅,而且它们的体重也比一般的企鹅要肥。同样地,它们也被安排上了跑步机,跑步机时速为每小时1.4公里。另外也多记录了企鹅三轴运动(前后、上下、左右)加速度的数值。

企鹅身体左右摇摆加速度随时间的变化,正值表示右侧倾斜,负值表示左侧倾斜 图源:文献2

企鹅身体左右摇摆加速度随时间的变化,正值表示右侧倾斜,负值表示左侧倾斜 图源:文献2

它们在保持原有体重的情况下,先在跑步机上测试,科学家记录了运动时候的相关数值。后来,科学家让企鹅禁食两个星期,体重减下来了2公斤多点,然后再上跑步机测试。

王企鹅在跑步机上 图源:sciencenews

王企鹅在跑步机上 图源:sciencenews

成年王企鹅在保护它们的蛋时,有时会禁食长达一个月,但它们会提前储存几磅脂肪作为补偿,所以不用担心禁食两周是虐待。这也是为什么科学家会选择肥一点的企鹅,这样体重变化更容易也更明显,方便科学家们研究体重对企鹅步伐的影响。

原本以为,体重变轻了,走路自然轻松了,速度自然会加快。因为不管是现实中的观察,或者一些科学研究,都表明肥胖的人或者孕妇很容易改变步态来应对体重的增加,比如拓宽他们的站姿,步伐更短。2016年,广岛大学的研究人员Yasuyo Sunaga用3D动态捕捉系统对怀孕女性的步态进行了研究,他们发现在女性怀孕后的三个月里,相较于未怀孕重心前向后倾斜,膝盖弯曲变少。这就让怀孕的女性走起路来像企鹅一样,摇摇晃晃。

但令科学家惊讶的是,虽然企鹅减肥后左右摇晃的幅度减小了,但并没有改变它们的步频或姿势。

相对于瘦子企鹅(11kg),胖子企鹅(13.2kg)的重心稍微向前一些,走起路就不太稳图源:文献2

相对于瘦子企鹅(11kg),胖子企鹅(13.2kg)的重心稍微向前一些,走起路就不太稳图源:文献2

这个研究表明,企鹅越胖,左右摇摆幅度越大。结合前面第一个研究,可以得出结论,企鹅之所以摇摇晃晃是因为腿短,而摇晃的幅度大小则取决于体重大小。而这一切最终都可以解释为,为了节省能量……

当然,我不知道对人来说,更胖的人走路时左右摇摆会不会提高能量回收率,哪个人来试试?

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