主要观点总结
文章介绍了鸭子的特殊运动能力，包括其在陆地、水中和空中的运动方式，以及鸭子运动的关键点。文章指出，鸭子凭借奇特的身体结构，可以在多种环境中生存，其步伐是能量“妥协”策略的结果。文章还详细解释了鸭子行走、游泳、飞行和潜水时的力学原理和生物力学特点。
关键观点总结
关键观点1: 鸭子的运动能力
鸭子是海陆空三栖的奇葩怪，能够在陆地、水中和空中自由移动。它们的行动范围不限于一个领域，而是利用独特的身体结构和步态在多个环境中生存。
关键观点2: 鸭子的步伐特点
鸭子的步伐是一种能量“妥协”策略，通过横向摆动分散重量，确保在地面上站稳。而在水中，鸭子的腿和脚蹼成为高效的“划水桨”，利用浮力和阻力相结合的作用，滑行流畅，甚至可以迅速转向或潜入水下。
关键观点3: 鸭子的游泳和潜水机制
鸭子通过特殊的步态来支撑生物体的质心，以适应在需要质心支撑的介质（如陆地）中移动。此外，它们的潜水能力是通过大量消耗体力来主动对抗浮力实现的。在潜水过程中，鸭子的身体倾斜和脚蹼的滑动对抗浮力，保持在水底稳定的位置进行觅食。
关键观点4: 鸭子的飞行动力学
鸭子的飞行动力学涉及到复杂的过程，包括起飞的动力学过程、后肢的运动学和肌肉配合等。虽然飞行看起来简单，但实际上涉及到许多细节和复杂的力学原理。
正文
扑腾起飞像个忙不迭逃命的小飞虫
游泳倒是游得一身功夫，
踩水翻滚潜水样样都行！
动物的运动大多遵循一套核心法则：
肌肉施力、骨骼支撑、控制系统负责反馈与调整
，通过能量传递和存储，各种极限动作才得以实现。
从能量消耗与生存进化的角度，自然界小部分动物在经过与自然的“权衡”后，专攻一种运动方式。正如
雨燕一生绝大部分时间在飞行，猎豹是跑得最快的动物之一，蓝鳍金枪鱼游泳速度超快，它们的行动范围仅限于一个领域（空、陆或是水）。
图一：不同生物体移动模式（游泳、跑步、飞行）的分布
作为自然界中的
“海陆空三栖”奇葩
，鸭子凭借它的奇特身体结构，
灵活的步态、独特的水面动力系统和飞行技能
，游刃有余地在多种环境中生存。它们同时是一个
潜水家、飞行家、跑者
（虽然跑步或飞行姿势或许有些怪异），它们特殊构造的脚和翅膀不仅帮助它们行走和飞行，也可以用来潜水。
实际上，鸭子的步伐就是一种奇妙的
能量“妥协”策略
。比如它那“蹒跚”的内八字步，通过
横向摆动分散重量
，确保在地面上站稳；而在水中时，鸭子的
腿和脚蹼就成为高效的“划水桨”
，利用浮力和阻力相结合的作用，让它滑行流畅，甚至可以迅速转向或潜入水下。
物体运动的原理看似简单，无非是有机体向环境施加一个力，根据
牛顿第三定律
，会受到反向加速的力。但研究发现，尽管动物以稳定的速度运动，但它对环境施加的力是
时变且复杂
的。
以两足的人
类和四足的小狗为例（图二A），行走时地面的反作用力按照等时间隔用红色箭头表示。
每一个瞬间，
作用力矢量都指向每条腿的髋部或肩部
，最大限度地减少每个关节的扭矩。
而针对走和跑这两种看似相同的运动姿态，实则微观上有着
完全相反的模型
来支配（图二B），但
能量守恒与转换
始终是背后统一的真理。
在行走时，我们的身体重心经历一个
倒钟摆
（图二B左）的构型。站姿阶段的前期，我们的身体会
以弧形向上跃起并越过每条较为直立的腿，此时将动能转化为重力势能
。而在站姿的后期，身体向前并向下坠落，重力势能被转化为动能，这样往复循环……
但跑步时，为了更快的移动，这对我们的肌肉提出了更高的要求，腿部的形态也从行走时的笔直转变为奔跑时的
弯曲折叠
。
因此
弹簧模型
（图二B右）
就简单且有效的重建了这个过程。具体地，当一条腿以跑步步态着地时，动能和重力势能暂时以
弹性应变能
储存在肌肉、肌腱和韧带中，并在下一次跃起时恢复。
时变的作用力与肌肉的伸、缩完美配合，使得步行和奔跑成为如此自然又具有美感的行为。但
横向的能量交换
往往被我们忽略。像螃蟹、蜘蛛、壁虎这类动物的腿在与地面接触作用时会产生很大的
侧向力
。
比如下图奔跑中的蟑螂，在恒定的平均速度下，蟑螂的每一对腿都具有
独特的地面反作用力模式
。
第一对前腿受到地面
向后的作用力
（与前进方向相反），用来在前进方向上
使质心减速
；第三对腿
受力朝前
，用来
加速
身体。
而第二对腿在不同的时间表现为不同的作用力方向。
除了这些前后方向上的力，所有腿均受到地面
指向身体中线
的反作用力。这个易被忽略的侧向力正是这种
宽腿距动物
的独特之处。
借助横向的作用力，当动物
突然改变速度
、
在不平整的地面上移动或被大风、潜在的捕食者撞歪斜
时，由于腿部更强壮的步态，可以很好地
自我稳定
。
所以下次看到鸭鸭跌跌撞撞奔向你的时候，不要再笑话人家了嗷，人家只是在努力维持身体的平衡，以防摔个狗啃泥……
或许你会联想，难道这种多腿动物的前肢都进化成
“刹车”专用肌肉
了吗，只提供与运动方向相反的力？这话对，但只对了一半。
研究表明，蟑螂和横行螃蟹的前腿的确
只提供减速力
，但像修狗儿这种速度型四腿选手，它的前肢要是只用来减速，那可就大材小用了。
实际上，狗狗的前肢只有在急速奔跑或跳跃时，才会产生减速力。
或许是为了减震吧！
当然，有些肌群从解剖学上看
杨氏模量
很高，可以通过保持拉伸状态产生极大反抗力，如此一来就是
专门用来
刹车和吸收能量
了，比如下图中的蓝色部分。
其实呢，每一块肌肉都有着其专门的任务，
有的用来提供动力，有的用来保持身体刚度、传递作用力，有的作为弹簧用来调度更大的肌群
。
意识到这些，说不定下次锻炼的时候，会更敏觉地
意识到身体的发力点、控制发力点
，感受肌肉的协调合作呢。
与陆地上的跑者将力作用在坚硬的地面不同，泳者和小飞行家们
对抗和利用的介质是
流体
。
鱼会通过尾巴的扭曲和旋转形成
复杂的尾流，比如涡旋
。尾巴的每一次左右扫动，都会产生一系列
交替的甜甜圈状的漩涡
，这些漩涡代表着鱼身赋予水流的
动量
。通过分析这些涡旋链，我们可以重建出鱼受到流体施加的驱动力。
像多腿爬行类动物一样，鱼身受到的力也包含着
横向分量
。或许这是
鱼类能够快速改变行进方向
的关键，以防被猎食者吃掉呢。
水上地上的都分析了，那天上飞的捏？
让咱也一探究竟吧。
拿
昆虫悬停
举例子，我们把精气神聚焦到它们的那对轻盈的翅膀上。首先我们会注意到翅膀在前后扑棱时总是保持
高迎角的姿态
，像极了咱们
在深水区
踩水
时手臂和手掌的挥舞姿态
。
翅膀在来回的挥舞中持续不断地在改变迎角，使得
翅膀在往前挥舞时（下冲程）翅膀腹朝前，往后挥舞时（上冲程）翅膀背朝前
。有了小昆虫的亲身演示，下次不准再说学不会划手
咯！
非常微妙且有趣的是，通过
恰当选择翅膀旋转的时机，昆虫们可以捕获上一次翅膀挥舞产生的尾流的能量
，与
母鸭和小鸭们结队游泳更省力的机制（2022年搞笑诺奖）
类似，都是重新捕获了波的能量。
好，热身结束
![]()
，让我们好好分析一下鸭鸭走路吧！
具有飞行、行走、游泳等多种运动类型的鸟类，相同的肌肉骨骼系统被要求适应不同的环境介质。而
不同环境给予生物体的
机械约束经常相互冲突
，因此这类生物体的身体构造通常是
功能和形态妥协
的结果。
比如鸭、鹅等鸭科动物
摇摇晃晃的陆地行走姿势
，与它们的
游泳特长
密切相关。
我们先跟随研究者的视角剖析鸭鸭走路时身体的瞬时状态，如图展示了
世界参考系和鸭鸭躯干参考系
下
，鸭鸭行走时身体部位运动轨迹的俯视图、侧视图和前视图。
鸭爪（青色标记）的运动始终保持在身体中线的位置，且
从脚踝到脚掌呈现向内收的趋势
，很符合大家对它们内八式走路的认知。
除此之外，另外一个典型特征就是横向的摇摆，从
前视图
可以很明显看出
臀、膝盖、龙骨脊等部位的左右摆动
。
鸭鸭陆地行走的一个循环周期可分解为两个阶段：
站立期和摇摆期
。而站立期又可分为
单足站立和双足站立
期。
图十二：鸭鸭行走和游泳的动作分解
行走时，
鸭子的跖趾关节位于外侧，
足部向内旋转
，重心位于足部上方，以确保单足站立阶段的
平衡
。这种足部姿势迫使躯干平移
，形成典型的“摆动”步态。
与陆生动物不同，水生动物在所处的生存环境下运动不需要
质心支撑
。
因此对于鸭科这类半水生动物，“摇摆”的步态实则
是一种
运动补偿
，用来支撑生物体的质心，以适应在需要质心支撑的介质（陆地）中移动
。除此之外，这些半水生动物拥有比纯水生动物
更长的腿
，而且
跗骨间关节更靠近内侧
。
鸭子能够在水面漂浮、滑行或是浮水，全靠它那
防水羽毛捕获的大量气泡以及轻质的骨骼
。但一旦它们要潜入水下觅食，这随之产生的的浮力却成为它们潜伏在水底的
巨大阻力
。如果没有特殊的手段，
脚蹼一旦停止击拍水体，它们就会
被动地漂浮起来
。
科学家经过缜密的计算发现，潜水鸭们并没有通过
降低浮力（比如提高身体密度）
来缓解对潜水的适应，而是通过
大量消耗体力
来主动对抗浮力。
鸭子在向下潜水期间，
身体相对地平线向下
倾斜76°
左右，受到的推进力
指向身体腹部26°
，因此
98％
的推进力用来抵抗浮力
。两力平衡，加之左右脚的同步滑动
抵消了推进力的横向分量
，鸭鸭才得以稳定保持在水底的位置安心进食。
图十四：潜水鸭实验装置和坐标系架构
而在水面上游泳时，鸭鸭们通过
将脚向下方弯曲（跖屈）
，同时脚趾向外侧分开（外展）
开启
动力阶段
；而后的
恢复阶段
状态正好相反。动力阶段往往占总周期的70%左右。
鸟类利用
翅膀扇动
提供的升力向前飞行一直被认为是能量更高效的方式。然而鸭鸭通过
将
脚蹼相对于身体向后拍打
，从而推动身体向前的行进模式是基于
阻力式
的游泳（与
自由泳鞭状腿
的发力机制类似）
。
实际上，当在水面以很快的速度行进时，
身体的运动会和脚蹼相对于身体的运动进行
耦合
，使得脚掌可以以
特殊的迎角
在水体中移动，这大大利用上了
水动力学升力
作为额外向前的推动力。
基于阻力的游泳可以根据桨（这里为鸭子的脚掌）的运动平面分为两种：一种是
，让我们好好分析一下鸭鸭走路吧！
