本
文
摘
要
我们知道，生物进化的主要过程，就是环境淘汰掉那些不利生存的性状。
那为什么圆柱形比三菱柱或者矩形柱更加有利于生存？
一张图给你答案：
这是不同形状物体的最低风阻系数。
当物体面对空气流动时，受到的阻力为：
F=(1/2)CρSV2F=(1/2)CρSV^2
C为水的阻力系数；ρ为空气密度；S为迎风面积；V为流体速度。当ρ、S、V固定不变时，阻力随着风阻系数的增大而增大。
但我们也必须考虑一个问题，哪怕物体的形状固定不变，流速会改变雷诺数大小（Re=ρvL/μRe=ρvL/μ），从而有层流和湍流之别：
流速越大，雷诺数越大，形成卡门漩涡后，会明显降低阻力系数。
圆柱体风阻系数和不同大小雷诺数有着如下关系：
雷诺数在10^5~10^6之间时，明显有个最小的风阻系数。
风的力量越大，越容易把树吹倒，自然越不利于生存。
由于空气粘度低，且树干具有不小的尺度，所以具有很高的雷诺数：
我们假设五六级强风的情况，风速10m/s左右。
空气粘度取1.8×10^-5Pa.S，树干直径取0.2m，空气密度1.293kg/m^3。
那么， Re=ρvL/μ=1.43×105Re=ρvL/μ=1.43×10^5
哪怕风速再高一些，树干再大一些，没达到飓风级别，雷诺数都不会超过10^6。
可见大风状态下，雷诺数正好介于10^5~10^6之间，风阻系数正好属于最小的状态，也就是图表中的数据。
所以，我们仅仅对比最小的风阻系数，就能对比不同形状的树干在大风下的适应情况了。
由图可以看出，三菱柱和矩形的任何面和任何角，风阻系数都高于圆柱。所以，在自然进化过程中，后两者会最先被吹到，然后被淘汰掉。
风阻系数比球小的，仅仅只有半球，水滴，以及半水滴。由于半水滴不利于形成卡门漩涡，风阻系数反而比水滴更大。半球存在一个直面，风阻系数可达到1，同样也不用在考虑。
那么，唯一能够与球（或柱状），一比高下的就只有水滴了：
水滴的确很厉害，通过强相互作用力，表面绝对光滑，无坚不摧……
抱歉，有点串戏了。
图表中的水滴形状，前段的椭圆面弧形足够的弯曲，且后端也足以形成卡门漩涡，所以正好处于最优解的状态，存在几乎最小的风阻系数。
金枪鱼这样的游泳健将，正是把自己进化（实际是被竞争淘汰成这样）成水滴的形状：
理论上来说，如果某一个星球的风，只往一个方向吹，的确有可能长出水滴形状的树干来。
但我们是在地球，虽然地球上的风存在季风规律，但总有一些时候，四面八方都可能来风。
水滴的侧面有点像不太规整的1/4球面+1/4的直角面，预估风阻系数在0.6左右，大于球面风阻系数。
哪怕对于某个环境，侧面吹暴风的概率较小，但一经发生，面临的便是直接被淘汰。
所以说，对于存在自有风向的地球，水滴形状的树干同样是不利于生存的。
而不规则的三菱柱，和水滴是同样的道理。即便不规则三菱柱，某一个角存在尖尖的锐角，能降低风阻系数，但其它的直面和钝角，也足以大大增加风阻系数，不利于生存。
总之，圆柱这种四面八方都具有较小的风阻系数，且风阻几乎相等时，才是最利于生存的。
地球上的生物要么受到空气阻力，要么受到水的阻力，所以生物相当多的结构都具有球面或者圆柱的形状。
这个和石头被磨成鹅卵石，或异曲同工。
