“竹外桃花三两枝，春江水暖鸭先知”，这句出自宋代文豪苏轼的《惠崇春江晚景》的诗句流传了将近950年，依然脍炙人口。它捕捉了季节转换时的自然景物特征，展现了早春江岸的鲜活图像。在这生机盎然的春天，携三五好友，选一处平静湖边踏青春游，湖岸点缀着嫩绿的景色，湖面上鸭群悠然而行。当我们欣赏着这和谐的画面时，或许会思考，为什么这些小鸭可以轻松畅游于水中？难道它们天生就会游泳吗？

图1 春日湖面的鸭群在戏水（图片来源：作者拍摄）

鸭子的游泳本领还要从它们的身体构造说起。首先，显而易见的是鸭子身体的形状颇有特色，和陆上的家禽（如鸡）不尽然相同。鸭子的腹部扁平，整个身体形如一艘浮船，尾部向上弯曲，翅膀两侧向下倾斜。当鸭子的身体浸入水中时，底部受到的水压力较上部受到的空气压力大得多，因而产生向上的浮力。当浮力大于鸭子自身的重量时，鸭子就会漂浮起来了。而且，鸭子的体积相对较大，能够排开足够的水量，鸭子能够轻松地浮在水面上。

图2 浮力托起水面上的鸭子（图片来源：作者拍摄）

其次，鸭子的身体表面覆盖着密集的羽毛，这些羽毛不仅具有出色的保温性能，而且关键是能够使鸭子的身体保持干燥和轻盈。当羽毛与水接触时，由于其特殊的疏水结构，水无法渗透到羽毛的内部。这使得羽毛不容易被水打湿，同时羽毛管是中空的结构，进一步减轻了自身的重量。这种特殊的羽毛结构帮助鸭子在水中保持干燥，减少了因吸水而增加的重量，使鸭子更加轻巧地漂浮在水面上。

最后，在鸭子的尾部，有一个腺体可以分泌油脂。我们经常看到鸭子不停地梳理羽毛，这不仅是它们爱美的天性体现，更重要的是它们会用嘴把这些分泌的油脂涂抹至全身。这一举动不仅使得鸭子的羽毛更加不易被水浸湿，减轻了重量，进一步增加了浮力，还能保持体温的稳定。

除了外部特征外，细究鸭子身体内部的构造，还可以发现一些有利于它们浮在水面上的特点。首先，它们拥有空气囊。这些空气囊充满着空气，使得鸭子整体密度降低、重量减轻，从而增加了它们的浮力。这类似于船体内部的气囊或者密封舱，能够提供额外的浮力，使船体更好地浮在水面上。此外，鸭子的骨骼结构相对轻巧，骨骼中含有空腔，进一步减小了它们的整体密度。这种设计使得鸭子的重量相对较轻，更容易漂浮在水面上。这样的身体结构适应了鸭子在水中生活的需求，使得它们能轻松地在水面上游泳和漂浮。

图3 鸭子身体内部构造示意图（图片来源：网络）

鸭子之所以能够像船一样轻盈地浮在水面上，是因为其身体结构与设计使其具备了足够的浮力。鸭子的扁平形体、羽毛、空气囊、轻巧的骨骼结构以及体积大小共同作用，使其能够轻松地在水中畅游。类似于鸭子的还有天鹅、鸳鸯等。大自然的创造是智慧而奇妙的，我们人类应更加珍爱自然界的生物，规范自身行为，减少对自然的伤害，努力实现人与自然的和谐共生。

下面，我们还需要从力学的角度出发，说说涉及疏水性、疏水结构的一些科学问题。“疏水性”指的是一个物体（表面）与水互相排斥的物理性质。与此相反的是“亲水性”，它是指物体与水具有亲和力的性能，即可以和水形成短暂键结的性质。例如，我们在雨后常常可以看到存留在荷叶上的晶莹水珠，这就是荷叶的疏水性导致的。这种具有疏水性的表面，便被称为“疏水结构”。也许我们可以戏说：疏水性研究起始于中国的一个成语“出淤泥而不染”，它出自宋朝的另一位文人周敦颐的《爱莲说》：“予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖。”荷叶这种 “自净”能力来自它的疏水特性。

图4 荷叶疏水特性的图示（图片来源：网络）

我们再接着展示一下固-液接触的一般性状。在一个固体表面上如果存在一个水滴，那么可以想象这种情况下，一般会形成三个交界面：固-液界面，固-气界面，气-液界面。在力学里，把固-液界面和气-液界面之间的夹角定义为“接触角”。 力学家揭示了接触角是固、液、气界面之间表面张力达到平衡的结果。而且，相关研究表明：当接触角大于90°时，表明固-液界面不润湿，也就是说表面是疏水性的；反之，当接触角小于90°时，界面便是亲水性的。接触角越大，疏水性越强。若接触角大于150°，则称之为“超疏水性”。

图5 固-液接触情况下亲水性材料和疏水性材料的接触角（图片来源：网络）

那么，前面提到的“自净”功能如何实现的呢？这里还要引进一个“滚动角”概念。水滴在倾斜表面上可能滑落，也可能静止不动，这是疏水性（滑落）和亲水性（静止）的另一种表现。“滚动角”的定义是：液滴在固体表面开始滚动滑落的临界（最小）倾斜角度。不难想到：疏水性越强，接触角越大，滚动角越小。当水滴在表面上滑落时就可以把物面上的灰尘等不洁物质携带走。

图6 倾斜表面的“滚动角”与液滴滑落的示意（图片来源：网络）

除了鸭子、荷叶以外，人们先后发现水黾翅膀、蚂蟥翅膀、蜻蜓翅膀、蚊子腿以及芋头叶、甘蓝叶、一品红叶等动植物表面的疏水效应。科学家和工程师们从自然这所顶尖大学获得疏水知识之后，便踏上了疏水甚至超疏水表面的仿生制造之途。目前，各种疏水性与超疏水性材料正在被研制出来，它们在自清洁、防雾、防污、防腐、抗菌、防结冰、增强冷凝、能量收集和减阻等方面具有着广泛的用途。

参考文献

[1]小鸭子的冷知识https://zhuanlan.zhihu.com/p/567316825

[2]为什么天鹅和鸭子可以浮在水面？https://www.zhihu.com/question/36261757

[3]鸭子浮在水上的原理是什么？https://www.zhihu.com/question/343601059