知识 | 企鹅为什么不怕冷？

今天是企鹅宣传日（Penguin Awareness Day，脑洞大开的狸猫酱非说这是“企鹅觉醒日”），小企鹅们过节啦！说起企鹅，大家的第一反应都是冰天雪地中勇斗风寒（咦？）傲雪凌霜（咦咦？）的样子。虽然企鹅不都生活在南极的风雪中，但大部分企鹅对寒冷的耐受能力都强于一般动物。那么极地的企鹅为什么不怕冷呢？学热能出身、传热学是核心专业课的企鹅艺术家表示，这是她的专业领域～
在简化的模型下，一段时间之内热传导交换的热量正比于传热面积、传热系数、传热时间和与周围的温差。企鹅要想保暖，就是需要降低散发掉的热量，也就是降低这四项就好了～
1降低传热面积
变大变圆润
极地的动物普遍比较热地区的同类大，身材也更加“球形”，甚至耳朵都比热带同胞的小（当然，企鹅没有耳廓）。这是为什么呢？
来自沙漠的耳廓狐和来自极地的北极狐
在其他条件（如代谢速度、皮毛厚度等）一样的情况下，产热量与动物的体积成正比，散热量与表面积成正比。也就是说，动物的比表面积（表面积与体积之比）越小，越有利于保持温暖。
怎样减小比表面积？我们来做个实验。画三个长方体/立方体，分别是：
A：长宽高为2、2、2；体积为2*2*2=8，表面积为2*2*6=24；比表面积为24/8=3。
B：长宽高为1、1、1；体积为1*1*1=1，表面积为1*1*6=6；比表面积为6/1=6。
C：长宽高为1、1、8；体积为1*1*8=8，表面积为1*1*2+1*8*4=34；比表面积为34/8=4.25。
A和B的形状一样，都是立方体，A比B大一些，比表面积更小。
A和C的体积一样，A比C更“圆润”一些，比表面积更小。
企鹅以丰腴为美
可以看出，个头更大、身材更圆，有利于在低温下保暖～生活环境最冷的企鹅帝企鹅同时也是体型最大的企鹅，而且身材相当丰腴。虽然身高仅相当于一个5岁男孩，但体重却相当于10岁男孩，胸围更是达到了成年人的尺寸！体型是不是比人类“圆润”多了～
2
降低传热系数
穿上厚厚保温层
企鹅的绒毛
是企鹅的羽毛让它们保持温暖的吗？对，也不对。在地面上，羽毛特别管用。企鹅的羽毛不像飞鸟的那样又大又平，它们更短，而且下面会有一层细腻的绒毛。企鹅从水中上岸时，它们的羽毛也很适合排水。
短而圆、重叠排列的羽毛
企鹅羽毛重叠排列，在地上有极佳的排风能力，在水里又有良好的流线效果。帝企鹅的羽毛会有三厘米厚！相同面积的皮肤，企鹅会比其他鸟类长更多的羽毛。
囤积脂肪从娃娃抓起
企鹅一生中的很长一段时间是在水里，打湿羽毛就不如在岸上那么管用了。在海里，厚厚的皮下脂肪就是它们最暖和的棉衣。一只企鹅甚至会有多达它体重30%的脂肪呢！它能让企鹅在-2°C的水中保持体温。为什么是这个温度呢？因为南极海水结冰的温度就是-2°C，只有海水结成冰才能低于这个温度，可是企鹅也没办法在冰块中游泳啊～
企鹅身上有两处特别容易散热的地方，就是它们的翅膀和脚。这就带来了一个麻烦和一个好处。麻烦是，天冷的时候会散失宝贵的热量；而好处是，天气较热时，企鹅可以用这两个地方散热，避免中暑。
企鹅翅膀的构造
企鹅的翅膀和脚与身体连接的地方，分别有一处血液热交换的区域。在这里，流入和流出的血管距离很近。流出身体的血液会加热流入身体的血液。流回身体的血液已经被加热了，就可以尽可能少降低核心体温。
张开翅膀散热的企鹅
企鹅可以根据情况调节流向翅膀和脚的血液流量。在天冷或在海里时，流向翅膀和脚的血液很少，可以让热量损失降到最少。相反，天热的时候你可以看到企鹅张着翅膀，翅膀内侧是漂亮的浅粉红色，那就是它们加大了流向这两处的血流量，好散掉多余的热。
3
降低传热时间
能站着的时候绝不趴着
地面的导热比空气更快，相信你也有这样的经验，坐在冰冷的地面上会比站着更冷，躺着就更不用说了。要想保持热量，就要尽可能减少坐或躺在地面上的时间。
看我站得多标准
企鹅更是把这个特点发挥到了极致，它们在觉得冷的时候，不仅能站着的时候绝不趴着，甚至干脆站在自己的脚跟上，把脚尖翘起来。怎么保持平衡呢？它们会用它们尾巴的羽毛支撑，形成一个稳稳的三角形。企鹅尾巴的羽毛没有血液流通，也就不会散热，真是个好办法呢～
4
降低与周围的温差
抱团取暖
帝企鹅很有可能是这个星球上上最能忍耐极端低温的温血动物了。它们繁殖季节的温度在-30°C，还伴随着200km/h的超级大风（12级风约为120km/h）。没概念？想像你在寒冬把车开到时速200，还摇下车窗把脸伸出去～人的皮肤暴露在这样的环境下，瞬间就会冻住。
枪打出头鸟，风吹出头鹅
帝企鹅对抗这样的恶劣环境的窍门就是抱团取暖！帝企鹅的核心温度大约是38°C，如果直接暴露在-30°C的温度下，温差就是68°C之多！如果可以和小伙伴们紧紧团结在一起，周围的温度就不再是-30°C，而是小伙伴的体温了，大大降低了和周围的温差。
抱团取暖
一个挤成一团的帝企鹅群，通常会有上千只抱团取暖的小伙伴。群体中几乎每一只企鹅都拥抱着另一只暖烘烘的企鹅，而不需要拥抱风雪。当然，最外层的企鹅们就要吃点苦头了，企鹅群中间暖和过来的小伙伴会到外层来和它们轮班。研究显示，单独的帝企鹅每天要燃烧掉200g脂肪来保暖，但企鹅群中的帝企鹅每天只需100g脂肪就够了！
5
热量再利用
特殊鼻腔构造
帝企鹅特殊的鼻腔热交换系统可以让它重新获得通过呼吸耗散的热量的80%！
这样的设计和企鹅艺术家老本行研究的锅炉中的“省煤器”原理一样，都是用要排出的物质中的热量交换给要进入的物质。
找不到企鹅鼻腔构造，只能找省煤器结构图
以上就是省煤器的结构图，别看类型那么多，总之都是把废气（向下的箭头）中的热量通过蛇形管传递给管内的给水。
其实汽车飞机中的涡轮增压系统设计思路也类似，只不过涡轮增压是把排出废气的压力通过涡轮“交换”给吸入的空气。
6
要节流，也要开源
利用太阳能
冬天冷的时候你最想念什么？暖气？哦，企鹅没有暖气。太阳？对，晒着太阳就会更暖和。你有没有注意过在烈日下穿深色和浅色衣服的区别？
光线照射在物体表面，一部分会被吸收，一部分会被反射。物体反射的可见光越多，看上去颜色越浅。反之，吸收的越多，看上去颜色越深。吸收的光线转化成热量，因此颜色越深的物体，在阳光下吸收的热量越多。
悄悄问看官，企鹅美不美
所以企鹅穿着黑色的燕尾服，也是为了生存啊～
有没有觉得为了生存在这种环境，企鹅也是蛮拼的？篇幅有限，很多细节都没有严谨说明或展开讨论。欢迎留言，我们共同学习～！
企鹅宣传日是专为宣传保护企鹅而设置的。全球气候变暖，让企鹅更加危险。
世界上共有18中企鹅，有“无危（LC）”的王企鹅（去过南极三岛线，在南乔治亚看到“鹅山鹅海”的都懂得），也有“濒危（EN）”的加拉帕戈斯企鹅（仅生存在赤道上的加拉帕戈斯，2004年仅剩约1500只）。还不知道怎么区分这些企鹅？看这里：
18种企鹅排排站，你是其中哪一种？
怎样去南极看企鹅的传送门
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