海豹的鬍鬚是做什麼用的？
― 牠讀的是魚 30 秒前留下的「水中漩渦」
就算被蒙住眼睛，海豹也能循著魚游過的路線追蹤。線索是魚游過後，在水中留下的一列小漩渦。鬍鬚，就是用來讀取這些看不見的「足跡」的工具。
你有沒有在水族館近距離正面看過海豹呢？牠的鼻子兩側，長著幾十根又粗又硬的鬍鬚，朝前伸出。
海豹生活的海並不總是清澈的。在河口混濁的水裡，或是光線照不到的夜晚海中，牠們一樣能捕到魚。
在眼睛幾乎派不上用場的水中，牠們是怎麼找到獵物的呢？答案就在那些鬍鬚上。
鬍鬚能追蹤魚，只有 2 個原因
魚的尾鰭左右擺動時，身後的水會交替產生小漩渦。這列漩渦不會馬上消失，會在水中停留一段時間。
海豹的鬍鬚表面呈波浪狀。多虧這個形狀，游泳時鬍鬚自己不太會晃動，只會感受到極細微的水流擾動。
也就是說，魚在水裡留下「足跡」，海豹則用雜訊很少的天線來讀取它。我們依序來看。
魚游過的路上，會留下漩渦「足跡」
魚擺動尾鰭，把水往後推著前進。尾鰭擺向右邊，會產生順時針的漩渦；擺向左邊，則產生逆時針的漩渦。於是魚的身後，就排著旋轉方向交替的漩渦，呈鋸齒狀。
請看圖 1。往右游的魚後面，延伸著一列漩渦。越往左的漩渦越舊，會慢慢變弱，但不會馬上消失。
海豹真的會讀取這些「足跡」，已經有實驗證實。2001 年，德國的研究團隊替斑海豹戴上眼罩和耳罩，再讓一艘小型潛航器在水中行駛，看牠能不能循著潛航器的路線追蹤。
海豹準確地追著潛航器走過的路線。但是，當鬍鬚被網狀面罩蓋住，牠就追不到了。線索不是眼睛，也不是耳朵，而是鬍鬚。後續研究也報告指出，即使是 30 秒以上之前留下的痕跡，海豹也能讀出對方前進的方向。
鬍鬚得「安靜」，才讀得出足跡
這裡有一個問題。在水中移動一根棒子，棒子後面也會產生漩渦。每當漩渦左右交替脫落，棒子就會被推向一側，發出抖動。強風天電線會「咻——」地響，也是同樣的原理。
鬍鬚在水中也是一根細棒。如果每次游泳鬍鬚自己都在顫動，魚留下的細微擾動就會被自己的顫動蓋過去。就像一邊在耳邊敲鼓，一邊想聽遠處的悄悄話。
斑海豹的鬍鬚用「形狀」解決了這個問題。它的截面是扁平的橢圓形，而且從根部到末端，粗細反覆變化，呈波浪狀。這樣的形狀會讓後方的漩渦無法同步，推動鬍鬚的力量互相抵消。實驗報告指出，與圓棒相比，顫動大幅減小。
請在圖 2 中調整鬍鬚自己的顫動速度。魚的足跡擾動很慢，每秒只有幾次。相對地，如果是圓形的鬍鬚，則會以每秒數百次的速度顫動。
游得越快，圓鬍鬚的顫動就越劇烈。一般認為，波浪狀的鬍鬚把這種顫動本身壓小，所以即使一邊游泳，也能分辨魚留下的擾動。
據說海豹每一根鬍鬚的根部，都連著超過 1000 條神經。和老鼠、貓的鬍鬚比起來，數量多出好幾個數量級。也有人說，臉上的神經有很大一部分是為了鬍鬚而用的。
同樣是海裡的哺乳類，海獅的鬍鬚表面平滑，沒有波浪狀。海獅也會用鬍鬚感受水的擾動，但據報告，一邊游泳一邊循著長距離痕跡追蹤的能力，斑海豹比較高。形狀的差異，也許就連結到使用方式的差異。
總結
魚游過之後，會留下一列漩渦這種看不見的足跡。海豹用波浪狀、能壓低自身顫動的鬍鬚，讀取這些足跡。在混濁的海或夜晚的海裡也能追蹤獵物，就是這個原因。
海豹不是用眼睛找魚。
牠是用鬍鬚，讀取水中留下的「足跡」。
鬍鬚感受細微動靜的原理，在貓的鬍鬚在感受什麼？中有更詳細的介紹。想看用眼睛和鼻子以外的感覺來找獵物的生物，也歡迎讀讀鯊魚為什麼能找到藏在沙裡的獵物？
- 把手掌張開，靜靜沉入浴缸的水中。先不要動，等水完全靜止。
- 用另一隻手，在距離約 10 公分的地方迅速橫著劃過。幾秒後，感受一下沉在水裡的那隻手有沒有傳來晃動。
- 接著拿一根免洗筷，在水中快速橫向移動。握筷子的手應該會感覺到細細的抖動。
③ 的抖動，就是每次漩渦脫落時，棒子被推動而產生的晃動。海豹的鬍鬚，形狀正好能把這種晃動壓小。
想知道更多的人 ― 用語、算式與課本的連結明確標示內容屬於國中理化到大學專業課程的哪個程度
- 國中國中自然科學會學到的範圍
- 高中高中「物理」「生物」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（流體力學、感覺生理學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教、目前研究者還在探討的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 觸鬚（洞毛）：像鬍鬚一樣，根部聚集大量神經的感覺用毛髮。和一般體毛不同。
- 卡門渦街：放在水流中的棒子後方，旋轉方向交替排列的一列漩渦。
- 渦致振動：每當漩渦交替脫落，棒子就被推向一側而顫動的現象。
國中高中用算式確認：圓鬍鬚每秒會顫動幾次
棒子後方漩渦脫落的次數，由水流速度和棒子粗細決定。我們來把鬍鬚若是圓棒時的顫動次數，拿來和魚的足跡擾動比較。
| 用符號寫 | f ＝ St × U ÷ d |
| 用文字寫 | 每秒漩渦脫落的次數 ＝ 斯特勞哈爾數 × 水流速度 ÷ 棒子粗細 |
| 這個式子從哪來 | 實驗已知，在圓棒後方，漩渦與漩渦的間隔幾乎固定，約為棒子粗細的 5 倍。間隔固定的話，水流越快，每秒脫落的漩渦就越多。這個比例的係數就是斯特勞哈爾數，圓棒約為 0.2。 |
| f | 每秒漩渦脫落的次數（棒子顫動的次數）。單位是次／秒 |
| St | 斯特勞哈爾數。沒有單位的數。圓棒約為 0.2，游動的魚尾鰭為 0.2〜0.4 |
| U | 水流速度（游泳速度）。單位是公尺每秒 |
| d | 棒子粗細。魚的情況是尾鰭左右擺動的幅度。單位是公尺 |
| 海豹慢慢游的速度（參考值） | 每秒 1 m |
| 鬍鬚的粗細（參考值） | 約 1 mm ＝ 0.001 m |
| 圓棒的斯特勞哈爾數 | 約 0.2 |
| 魚的游泳速度、尾部擺幅（小魚的參考值） | 每秒 0.5 m・0.05 m |
| 魚尾鰭的斯特勞哈爾數（參考值） | 約 0.3 |
| 鬍鬚：斯特勞哈爾數 × 速度 | 0.2 × 1 ＝ 0.2 |
| 鬍鬚：除以粗細（每秒顫動次數） | 0.2 ÷ 0.001 ＝ 200 |
| 魚：斯特勞哈爾數 × 速度 | 0.3 × 0.5 ＝ 0.15 |
| 魚：除以擺幅（每秒擾動次數） | 0.15 ÷ 0.05 ＝ 3 |
| 速度的差距（幾倍） | 200 ÷ 3 ≒ 67 |
| 魚 30 秒留下的足跡長度（m） | 0.5 × 30 ＝ 15 |
如果是圓鬍鬚，每秒會顫動約 200 次。魚的足跡擾動每秒約 3 次，所以自己的顫動要快將近 70 倍。而且魚的足跡，30 秒就有大約 15 公尺長。一般認為，波浪狀的鬍鬚壓低了雜訊，才能追蹤這麼長的足跡。
高中高中＋漩渦交替產生時，棒子為什麼會橫向顫動
高中棒子一側的漩渦脫落後，那一側的水流改變，棒子就受到橫向的力。下一次漩渦從另一側脫落，力的方向也相反。這樣交替持續，棒子就左右顫動。用作用力與反作用力來想，也可以說是棒子把水推向側邊的反作用。
高中＋當這個顫動的次數接近棒子本身的自然頻率，就會發生共振，晃動變大。這在橋梁、煙囪、輸電線的設計上也是重要的現象。一般認為，斑海豹的鬍鬚靠波浪狀的外形，讓漩渦脫落的位置沿長度方向錯開，使晃動的力無法同步。
大學卡門渦街與波浪狀鬍鬚的流體力學
棒子後方交替排列的漩渦，在流體力學中稱為「卡門渦街」。表示漩渦產生次數的無因次數就是斯特勞哈爾數，在雷諾數約 1000 到 10 萬的範圍內，大致固定在約 0.2。速度每秒 1 公尺、粗 1 毫米的棒子，水的雷諾數約為 1000，剛好落在這個範圍的入口。斑海豹的鬍鬚截面是橢圓形，粗細沿長度方向週期性變化，稱為「起伏形狀」。使用鬍鬚模型進行的水流實驗和數值計算顯示，這種形狀能大幅削弱渦致振動。魚的尾鰭產生的渦街，方向相反，稱為「反卡門渦街」，它成為推動魚前進的推力。
📖 算式的推導與更進一步的內容：卡門渦街（維基百科日文版） ／ 斯特勞哈爾數（維基百科日文版）
研究目前還不太清楚的事
- 野生海豹到底在多大程度上依賴鬍鬚？ 實驗以圈養環境下進行的為主，在混濁海中實際狩獵時鬍鬚的作用有多大，目前仍在研究中。
- 能從足跡得知魚的大小與種類嗎？ 有報告指出海豹能分辨前進的方向和形狀的差異，但能讀得多細緻，還不清楚。
- 波浪狀的形狀能用在製造上嗎？ 水中流速感測器，以及不易顫動的支柱等應用，正在研究中。
也就是說，這篇文章的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。鬍鬚的數值，以及足跡殘留的時間，會因研究和條件而不同。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目、單元 | 在這篇文章的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科學「刺激與反應」 | 鬍鬚根部的神經，把水的擾動當作刺激接收 |
| 高中 | 物理「波、振動」、生物「受器」 | 漩渦交替脫落使棒子顫動、每秒的次數 |
| 高中＋ | 物理「共振」 | 顫動接近棒子的自然頻率時，晃動變大 |
| 大學 | 流體力學、感覺生理學 | 卡門渦街、斯特勞哈爾數、渦致振動的抑制 |
| 研究 | 生物流體力學、仿生感測器 | 在野外的作用、足跡能讀出的資訊有多細 |
| ― | 與生活的連結 | 風天電線的聲音、在水中移動棒子時的抖動 |
- Dehnhardt, G., Mauck, B., Hanke, W., Bleckmann, H. (2001) Hydrodynamic trail-following in harbor seals (Phoca vitulina). Science 293, 102–104.
- Hanke, W., Witte, M., Miersch, L. et al. (2010) Harbor seal vibrissa morphology suppresses vortex-induced vibrations. Journal of Experimental Biology 213
- Wieskotten, S., Dehnhardt, G., Mauck, B. et al. (2010) Hydrodynamic determination of the moving direction of an artificial fish in harbour seals. Journal of Experimental Biology 213.
- 卡門渦（Wikipedia 日文版：カルマン渦）
※本文是給一般讀者的科學解說。文中的數值是為了理解原理而給的參考值與概算。與動物能力相關的數值，是根據圈養環境下實驗的報告，會因個體與條件而不同。