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新姿勢:蒲公英的飛行方式暗藏新的流體力學秘密


- 2018年11月11日14時53分
- 科學文摘 / DeepTech深科技

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蒲公英的種子是自然界飛行能力最強的種子之一。而最近,來自英國愛丁堡大學的研究發現,蒲公英種子這一非凡的飛行能力要歸功於一種以前在自然界中從未被發現的飛行方式。

要想實現這一長距離飛行,蒲公英的傘狀毛束(pappus)需要將周圍空氣製造出奇特的漩渦。這些環形氣泡可以在蒲公英種子上方形成,增加了空氣阻力並像降落傘一樣減慢了種子下降的速度。這項研究 10 月 17 日發表在 Nature 雜誌上。

(來源:Nature)


蒲公英花是由若干單粒種子集合在一起的,這些種子都附著在一個傘狀毛束上,形狀有點類似於刷子。雖然大多數蒲公英種子最終降落在距離花朵不到 2 米的位置,但這些種子在溫暖乾燥的空氣中可以輕鬆飛行超過 1 公里。

蒲公英的飛行十分迷人,但其背後機制卻令科學家困惑。「這是一個奇怪的結構,」論文共同作者、愛丁堡大學生物物理學家 Naomi Nakayama 說,「沒人真正知道蒲公英種子究竟是如何飛行的。」

一個傘狀毛束會有 100-110 根細絲,與其所攜帶的蒲公英種子的面積相比,這些細絲具有更大的表面。科學家們認為,蒲公英的種子可以通過單根細絲的阻力來飛行。通過結合流體力學、植物生物學,愛丁堡團隊發現單獨的阻力效應無法解釋為什麼蒲公英種子如此擅長保持空氣傳播。

新姿勢:蒲公英的飛行方式暗藏新的流體力學秘密圖片

(來源:Cathal Cummins)

「我們有理由相信,單根細絲提供的升力不足為蒲公英長時間保持空中飛行提供足夠的力。因此,我們決定調查細絲之間是否存在相互作用,這種相互作用強度是否足以影響整個蒲公英種子周邊的氣體流動特徵,而不是單個細絲旁邊。」Ignazio Maria Viola 解釋說,他領導了流體力學方面的研究。


為了分析種子,該團隊建造了一個垂直的風洞,這樣可以使種子持續在一個高度上盤旋。研究人員使用長時間曝光攝影和高速成像結合分析周圍的空氣流動。他們還使用 X 射線成像和顯微鏡來檢查蒲公英本身的形態。

風洞實驗表明,在蒲公英細絲正上方的空氣形成了「分離的渦環(separated vortex ring)」。「過去從理論的角度考慮了渦旋的存在,但有人認為它在自然界中不太可能發生,」Viola 解釋道。

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(來源:Nature)

事實證明,渦流可由通過細絲的氣流穩定下來。當空氣圍繞每根細絲流動時,它也與其相鄰細絲的流動相互作用,從而產生所謂的「壁效應」。由於這種相互作用,通過細絲的流動顯著減少,這使蒲公英種子浮起。

一旦分離的渦旋穩定,它就增加了種子飛行的能力,因為它賦予種子向上的力。更重要的是,與降落傘形結構相比,蒲公英的傘狀毛束結構在保持相似質量種子位於空中的效率要高四倍。

研究人員推測,這種形式的旅行可以為微型空中無人機的設計提供信息,這些無人機不需要供電,可以監測空氣污染。


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