趣味数学 | 飞蛾扑火真是因为趋光性吗?

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飞蛾扑火,古代的人们认为,飞蛾会朝着火源飞去,并且赋予飞蛾扑火很多含义,引申出为了理想和追求的义无反顾、不畏牺牲的精神。

但是,飞蛾扑火的真正原因是什么,真的是因为飞蛾会朝着发出亮光的地方飞去吗?

其实,昆虫追逐光明,是我们对趋光性的一种误解。

试想,如果昆虫真的追逐光明,就像夸父追日那般,那昆虫岂不是在白天的时候齐刷刷地向着太阳飞去,夜晚齐刷刷地向着月亮飞去?

当然,昆虫们并不会这样。

夏天,路灯下的昆虫们也并没有笔直地撞向灯泡,而是在路灯下转着圈。

我们之所以能够行走出直线、曲线、甚至是圆形的路径,在路途中不迷失方向,是因为周围有参照物。

那么夜晚的飞蛾,在周围一片漆黑的情况下,依据什么作为参照物,指引它们飞行呢?

在亿万年前,地球上还没有人类的时候,除去非常少的地球自然现象产生的光,白天的太阳、夜晚的月光和星光几乎可以说是仅有的光。

夜晚,飞蛾飞行时是依据月光和星光作为参照物进行导航。

月光和星光的光源(即使是反射光,也把它们本身当成光源)离我们非常远,光到了地面上可以看成平行光,当飞蛾的飞行路径保持与光线方向成恒定夹角时,飞蛾就变成了直线飞行,如图(1)。

图(1)

直到人类开始使用火,飞蛾就开始倒霉了。

火源离飞蛾并不远,光线不是平行的,而是中心放射状。

飞蛾还是按照以前的飞行方式,路径保持与光线方向成恒定夹角,以为依旧能飞成一条直线,结果飞蛾被坑了,此时它并不是飞成了一条直线,而是一条等角螺旋线,飞到火里去了,如图(2)。

可怜的飞蛾,亿万年进化出来的精确的导航,受到人工光源的干扰而失效了。

图(2)

所以说,飞蛾扑火确实是因为趋光性,但这个趋光性不是向着光源飞去,而是与光线保持恒定夹角,由于火源的光线是中心放射状,所以飞蛾飞成了一个等角螺旋线,飞到火里去了。

同学们都学过极坐标,飞蛾的路径等角螺旋线的极坐标方程和图像见图(3)。

图(3)

学过微积分的同学可以尝试着证明一下,等角螺旋线在任意点的切线与该点和原点连线的夹角是一个constant。

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