企鹅走路为什么会摇摇晃晃?

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  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。

  

  左右摇晃看着就很浪费能量…… 图源:giphy

  走路晃头晃脑的,在冰面上行走自然容易摔倒。

  

  哎呀我摔倒了 图源:giphy

  不过企鹅为什么要左右摇摆呢?为什么就不能好好走路呢?

  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。

  

  ab 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

  和珍珠鸡、鸵鸟一比,你就知道企鹅的腿是多么短小了。

  

  图源:文献1

  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,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

  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

  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。

  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

  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?

  参考资料

  1^Griffin T M, Kram R. Penguin waddling is not wasteful[J]. Nature, 2000, 408(6815): 929-929.

  2^Willener A S T, Handrich Y, Halsey L G, et al. Fat king penguins are less steady on their feet[J]. Plos one, 2016, 11(2): e0147784.

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