從仙鶴喝水談棘輪效應

有一則很多人都聽過的童話，說是狡猾的狐貍，假意請仙鶴吃飯，然后用一只很淺的碟子盛一盤鮮美的肉湯，結果仙鶴因為嘴長，什么也喝不著。狐貍很是得意。為了報復狐貍，仙鶴也請狐貍吃飯，用一只窄口瓶來盛美味，結果狐貍也只能敗興而歸。

狐貍肯定沒有吃著什么，但是仙鶴喝到肉湯了沒有，卻值得思索一番。在人們的想象中，仙鶴嘴長，喝水時一定要把嘴的大部分浸入水里，才能喝到水。你可曾想到，仙鶴不是這樣喝水的。現代科學研究表明：在淺碟子里，它照樣能夠喝到水!

仙鶴之類的水鳥是怎樣喝水的，我們來引進一段朱克勤教授的文章《觀察和實驗：海鳥進食的毛細棘輪效應》：“由于鳥喙扁平的形狀，兩側的開口使得海鳥無法通過吮吸將液體吸入嘴中。仔細的觀察表明，它們進食的方式是通過喙的連續張合，將液體從喙的末端送到嘴中”。

為什么水鳥“喙的張合”能夠將“液體送到嘴中”呢?原來喙合起來，喙之間的狹縫形成的毛細現象能夠使水充滿，而喙張開是從下邊張開，喙形成下大上小的狹縫，這時水滴自然會向上退到嘴的深部。通過喙的張合，水滴便不斷向上運動。

水鳥的這種飲水方式，不僅經過實驗驗證，而且也通過了計算機的計算證實。它的發現也經歷了一個很長的過程。早在1712年，弗蘭西斯·豪克比就報道了兩個非平行平板之間的桔油滴液會自動向間隙寬度減小方向移動的現象。后來有人不斷進行仔細觀察和實驗研究，才弄清楚了水鳥的進食方式。仙鶴進食時，只需要嘴的尖端伸進水里1～2毫米即可進食。

從這些研究的結論可以看出，故事中的狐貍看似狡猾，卻并沒有難倒仙鶴。仙鶴完全可以通過喙的張合從淺碟里喝到湯，反倒是狐貍從窄口瓶里吃不到任何東西。

其實，水鳥的喙一張一合，使水單向地流到口中的來回運動，正是本文要說的棘輪功能。棘輪這個詞源于機械領域，它可以使一種往復運動改變為單向運動，因此人們把隨后發現的類似現象都稱為棘輪現象或棘輪效應。上述的水鳥喝水現象正是一種典型的棘輪現象。

棘輪的發明是很巧妙的，據考古介紹，我國大約在西漢時代便有棘輪發明。后來又有了許多改進，并且應用范圍也越來越廣。例如我們現在自行車上的“飛輪”就是一個棘輪，不管您的腳蹬子是正轉還是反轉，自行車總是向前運動。同理，所有的機動車輛也離不開棘輪。在工業上打包用的捆綁機也要用到棘輪，以便把繩子勒緊而不松弛。此外起重機、機械表、風速表等等也都離不開棘輪。

其實，自然界有很多運動都是帶有棘輪效應的。蛇和某些昆蟲的前進是靠身體各部分的伸縮變形，每一部分的伸縮都是反復的，但是由于身體結構，特別是有鱗片等特殊結構，就造成只能前進不能后退的棘輪效應，甚至可以說大自然本身也是一個巨大的“棘輪機器”：溫度只能從高溫傳到低溫、規則運動慢慢地就轉變為不規則運動、生物不斷由低等向高等進化……所有這些運動和變化，雖然在局部范圍內可以是往復的，但是在宏觀上卻都是單向的。

其實不僅僅是自然界，人類社會也存在著棘輪效應，例如一句俗話說得好：“由儉入奢易，由奢入儉難”，這就是一種棘輪效應。而且，這種效應也能推動社會的進步，正因為現代人已經習慣了科學和便捷的生活，不愿意“回歸”到茹毛飲血或者原始的農耕時代，所以社會才在不斷地向前發展。 總之，在技術領域，認識并把握棘輪效應，可以進行技術改革，在社會學領域，棘輪效應電能給予我們以深思。