http://www.physorg.com/news123851528.html
March 04, 2008
By Lisa Zyga
鼓蟲（whirligig beetle，鼓豆蟲、鼓甲、水黽）因其在水面上會繞行（circles）的特徵而得名。根據一種水波產生新現象的研究，科學家現在知道為何如此。
法國的研究者發現，在水面上以繞行方式移動的物體與直線方式移動者有顯著差異。以直線方式移動的物體，需要某種最小速度才能在水中產生微小的漣漪。但是以繞圈方式軌道移動時，即便物體以十分低的速度移動，卻仍可創造出波。事實上，科學家證明，以繞行方式移動來產生波的物體，並不存在所謂的速度閾值。
ESPCI 的 Alexei Chepelianskii 與 Elie Raphael，以及巴黎大學的 Frederic Chevy 將他們的研究發表在最近一期 Physical Review Letters 上。
由船隻、昆蟲與其他在水--空氣界面移動的物體所產生的波稱為毛細重力波（capillary-gravity waves）。它們起因於傾向維持平坦的液體（由於重力和表面張力）以及物體外力（那擾亂液體的平衡）之間的平衡。在船後的波通常以漣漪的形態出現（而且，身為阻力 (drag) 的起因，寧可保持最小量以利行船）。
毛細重力波以 23 cm/s 的最小速度橫跨水面，低於此，它們就無法克服液體的重力與表面張力。所以，一般認為，所有的物體必須以等於或大於這種最小速度移動以便產生波。然而，最近的研究證明，以低於 23 cm/s 速度移動的小物體依然能產生波，只要這些物體以繞行方式運動。
"旋轉物體或動物所產生的波速，總是大於 23 cm/s，" Raphael 解釋。"這並沒有違反任何物理定律。例如，當某人朝水中丟了一顆石子，這衝擊產生了環形波，而石頭平行於表面的速度則完全為 0。"
研究者在理論上與實驗上證明這種行為。藉由在一桶水中將一根針繞圈，並使用雷射測量波，當針的速度約在 14 cm/s 時 -- 只有最小波速的 0.6 倍，研究者偵測到了波。低於這個速度，因為噪訊比太小，以致於無法觀察到雷射的偏斜。
研究者解釋這種特例的起因與環形移動的加速性質有直接關係。他們將這種行為與 Cherenkov（切倫科夫）輻射相比，那是電磁輻射（以光速移動），由帶電粒子所放射，在某些媒介中以大於光的速度行進（不過比空氣中的光速還要慢）。
如同研究者所解釋，"正如同加速的帶電粒子，即使移動速度低於光速，一種加速的騷動經歷、一個非零的波阻 Rw，甚至當傳播（速度）低於 cmin（最小波速）時，都仍會輻射電磁波。"
該小組解釋，這些發現並沒有與最小速度閾值相矛盾，因為那只對直線的一致運動有效 -- 然而，這種假設卻經常在文獻中受到忽略。
"這在物理中是種十分常見的現象：任何種類的波可由加速物體產生，" Raphael 說。"例如，讓我們考慮聲波這個例子：你能藉由週期性的移動喇叭或聲帶的膜發出聲音 -- 因為移動是週期性的，速度必定是非固定的。"
至於鼓蟲，牠也許將這種波的行為當成其優勢利用。研究者預料這種繞行行走的甲蟲也許利用回波定位法（echolocation）產生表面波，讓牠們能在低速下「航行」。該團隊希望這些新發現能對小動物如何有效在水面上行進，有更深刻的理解。
"數種昆蟲物種被認為在水面把波當成一種聲納來用，在此超音波會被毛細重力波取代，" Raphael 說。"我們認為，這種繞行運動的特性，有二方面能使回波定位更加容易。首先，那使波的散發更加容易，因為昆蟲能以低於 23 cm/s 的速度移動。此外，這種波的發散是等向的（isotropic）：這裡沒有所謂的「盲點」，而且昆蟲也因此感知水面上任何方向的物體（障礙、食物、掠食者或其他鼓蟲）。"
※ 相關報導：
＊ Capillary-Gravity Waves Generated by a Slow Moving Object
http://link.aps.org/abstract/PRL/v100/e074504
A. D. Chepelianskii, F. Chevy, and E. Raphael＊ 光學上的「瘋狗浪」？市場上的「黑天鵝」？
Phys. Rev. Lett. 100, 074504 (2008)
doi: 10.1103/PhysRevLett.100.074504
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