三方面原因:鸭子腿短重心低 + 流线型身材阻力小 + 大脚掌站得稳。
大风来时,大家可能会习惯性的蹲下或者趴在地上,这时候人的重心低,在风中也会更加稳定,鸭子本身就比较矮胖,而且腿短,导致重心很低,自然不容易被风刮走。
第二个就是鸭子的体型了,鸭子的体型是一种接近流线型的形状。流线型物体可以使得气流平滑地沿着物体的表面通过,背风侧的涡流极小,对应物体所收到的风阻也越小。
空气动力学中的阻力公式可以表示为
,
是阻力系数,
是空气密度,A 是物体的迎风面积,v 是气流速度。不同形状的物体,主要是通过影响阻力系数来影响阻力大小,通常流线型的阻力系数是最小的,所以,自然界中或者工业设计中,常见到这种形状。
比如,现实生活中,飞机的翅膀就是一种流线型的设计,如下图,细长的锥形指向背面。这种形状可以使得流动的空气在很长的距离上附着在飞机表面上,进而减小飞机受到的阻力。
下图展示了不同形状物体的空气动力学测试结果。其中,左上角的圆形,左下角的方形,和右下角的兔子形状,都比右上角流线型物体具有更大的风阻。
圆形物体,在物体的背风侧有比较明显的涡流现象。PS:想要减少圆形物体的风阻,可以考虑高尔夫球的做法,也就是在球面上增加很多凹槽,这样就会使得风贴近球面。
方形物体引起了强烈的涡流现象,特别是在迎风面的边界处,而且背风侧产生大规模的不规则涡流,气流无法顺利绕过物体,这对应着风阻很大。
复杂形状,如兔子,气流在复杂轮廓周围会产生局部涡流,比如耳朵处还有背风侧,这种非规则形状导致局部区域气流的分离和再附着,会有明显的不规则涡流,阻力就大了。
与之对比,流线型明显得减少了气流边界层分离以及低压区的形成,所以对应的阻力是最小的。鸭子的体型接近于流线型,所以在风中有较小的阻力,也就不容易被刮倒。另外,鸭子的羽毛结构也有助于分散风力,让风从身体表面顺滑通过。
空气动力学测试,来自 B 站 CFD 之音 https://www.zhihu.com/video/1815790010835808256
最后一个原因就是鸭子的脚掌了,鸭子有个大脚掌,还有脚蹼,所以与地接触面积大。我们知道,物体倒下的物理力学原因是:重心超出了支撑面积的范围,所以物体才会倒下;如果重心保持在支撑面积的范围内,物体才会处于稳定。
那么鸭子的大脚掌,无疑给身体提供了大的支撑面积,所以上身的重心,不容易超出支撑面积,所以就不容易倒了。
最后,总结一下,鸭子腿短重心低 + 流线型身材阻力小 + 大脚掌站得稳 让它们在台风中稳稳站立。
另外值得一提的是,台风的风速在垂向方向上,并不是一样的。赵林等[1]统计了距离台风中心不同距离的风速的垂向分布情况,如下图。下图一共包括 25 个子图,每个子图代表距离台风中心一定位置的垂向风速观测结果(距离数值在子图的中上位置),子图的垂向轴代表高度,纵轴代表风速。
具体说,7~12 位置的观测显示,垂向风速剖面形态呈现近似 S 形,即水平平均风速在近地面一定高度范围内持续增加达到极大值后,又持续降低直至风速稳定或再次增加;14~19 位置显水平风速达到最大值后又以相对缓慢的速度衰减。
总之,地面上的风速由于摩擦力较大,通常比高层的风速较小,这也是鸭子能够稳定站立的原因之一。