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新姿势:蒲公英的飞行方式暗藏新的流体力学秘密

2018-11-11
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蒲公英的种子是自然界飞行能力最强的种子之一。而最近,来自英国爱丁堡大学的研究发现,蒲公英种子这一非凡的飞行能力要归功于一种以前在自然界中从未被发现的飞行方式


要想实现这一长距离飞行,蒲公英的伞状毛束(pappus)需要将周围空气制造出奇特的漩涡。这些环形气泡可以在蒲公英种子上方形成,增加了空气阻力并像降落伞一样减慢了种子下降的速度。这项研究 10 月 17 日发表在 Nature 杂志上。


(来源:Nature


蒲公英花是由若干单粒种子集合在一起的,这些种子都附着在一个伞状毛束上,形状有点类似于刷子。虽然大多数蒲公英种子最终降落在距离花朵不到 2 米的位置,但这些种子在温暖干燥的空气中可以轻松飞行超过 1 公里。


蒲公英的飞行十分迷人,但其背后机制却令科学家困惑。“这是一个奇怪的结构,”论文共同作者、爱丁堡大学生物物理学家 Naomi Nakayama 说,“没人真正知道蒲公英种子究竟是如何飞行的。”


一个伞状毛束会有 100-110 根细丝,与其所携带的蒲公英种子的面积相比,这些细丝具有更大的表面。科学家们认为,蒲公英的种子可以通过单根细丝的阻力来飞行。通过结合流体力学、植物生物学,爱丁堡团队发现单独的阻力效应无法解释为什么蒲公英种子如此擅长保持空气传播。


(来源:Cathal Cummins)


“我们有理由相信,单根细丝提供的升力不足为蒲公英长时间保持空中飞行提供足够的力。因此,我们决定调查细丝之间是否存在相互作用,这种相互作用强度是否足以影响整个蒲公英种子周边的气体流动特征,而不是单个细丝旁边。”Ignazio Maria Viola 解释说,他领导了流体力学方面的研究。


为了分析种子,该团队建造了一个垂直的风洞,这样可以使种子持续在一个高度上盘旋。研究人员使用长时间曝光摄影和高速成像结合分析周围的空气流动。他们还使用 X 射线成像和显微镜来检查蒲公英本身的形态。


风洞实验表明,在蒲公英细丝正上方的空气形成了“分离的涡环(separated vortex ring)”。“过去从理论的角度考虑了涡旋的存在,但有人认为它在自然界中不太可能发生,”Viola 解释道。



(来源:Nature


事实证明,涡流可由通过细丝的气流稳定下来。当空气围绕每根细丝流动时,它也与其相邻细丝的流动相互作用,从而产生所谓的“壁效应”。由于这种相互作用,通过细丝的流动显著减少,这使蒲公英种子浮起。


一旦分离的涡旋稳定,它就增加了种子飞行的能力,因为它赋予种子向上的力。更重要的是,降落伞形结构相比,蒲公英的伞状毛束结构在保持相似质量种子位于空中的效率要高四倍


研究人员推测,这种形式的旅行可以为微型空中无人机的设计提供信息,这些无人机不需要供电,可以监测空气污染。


编辑:戴青


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