蚂蚁为什么不怕摔

蚂蚁是地球上最常见、数量最多的昆虫。据研究,距今约7000 万年前这些小精灵就生活在地球上了。蚂蚁的种类繁多,到目前为止,全世界已知有9000 多种,我国已知的蚂蚁种类有600 多种。蚂蚁虽小,本领可不小,它们能举着超过自己体重的东西轻松前进,若幸运地遇到一大块饼干,它们会心往一处想,劲往一处使,把饼干运到它们认为安全的地方。小小蚂蚁,话题多多,下面着重探究一下蚂蚁为何不怕摔。

我们得先做个实验:准备几只蚂蚁,由一个同学带到楼上释放,另一个同学留在地面观察。先在二楼释放一只蚂蚁,地面上的同学看到蚂蚁落地后,安然无恙,就像什么事都没有发生一样,爬走了。再从三楼释放一只蚂蚁,发现蚂蚁落地后,停了几秒钟后,便开始爬行,速度一开始有点慢,稍后便以正常速度前进了。接着,要从四楼释放蚂蚁啦,大家有点担心,不知这只小蚂蚁能否扛得住这样的高度,要知道这可是接近10米的高度呀!释放,下落,着地,蚂蚁的表现让实验者松了一口气,它着地后的情形和从三楼释放的几乎差不多,真了不起!看来蚂蚁从更高的地方落下来,大概也不会有什么危险。

一般的蚂蚁身长大约3毫米,如果每层教学楼的高度为3米,从四楼底板到地面就是9米,这个高度是蚂蚁身长的3000倍。那么按照这个比例,相当于一个身高1.7米的人,从5100米的高处跳下来,却安然无恙!当然,这是任何人都办不到的。可见,蚂蚁确实不怕摔。

蚂蚁为什么不怕摔?这是一个需要物理学的原理来回答的问题。其实,任何物体在空气中运动时,除了受到重力外,还要受到空气对它的阻力。1849年,英国数学家、物理学家斯托克斯(Stokes ,1819-1903 ),在他的《关于运动流体内部摩擦的理论》一文中指出:半径为r的小球,以速度v在流体(气体和液体的统称)中运动时,只要v不太大,若用η表示摩擦因数,则小球受到的摩擦阻力为:f=6πηrv ,这就是著名的斯托克斯公式。按照斯托克斯公式,从高处释放的小球,先做加速运动,且阻力随着速度的增大而增大,当阻力与重力大小相等时,小球开始以不变的速度做匀速运动,这个速度叫做收尾速度。由6πηrv=mg得,v=mg/6πηr,由此可知,质量越小的物体,其收尾速度越小,而且从开始运动到匀速运动经历的高度越小。如半径为0.1毫米的小雨滴,离开积雨云后,只需下落0.58 米,就开始匀速运动了,收尾速度只有大约1. 2米/秒。这就是我们常常看到的“毛毛细雨徐徐下”的自然景象。

我们用斯托克斯理论定量地计算蚂蚁的收尾速度比较困难,因为蚂蚁不是球形,但定性讨论还是可以的。蚂蚁在空中运动,肯定要受到空气的阻力,因为蚂蚁受重力很小,所以它下落时,阻力将很快增加到等于重力,此后便以很小的收尾速度匀速运动,如果再考虑浮力,收尾速度会更小一些。因为收尾速度跟高度没有关系,所以蚂蚁从四楼落下和从三楼落下的情形没有什么区别。再说,蚂蚁是个鲜活的生命体,在下落过程中,六条细长的腿会本能地急剧划动,就像在水中划动一样,这样不仅增大了阻力,减小了速度,还能保持身体平衡,保证落地时六爪朝地,不让身体与地面直接接触,这样就有效地减小与地面的冲击力。