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蒲公英种子用“不可能”方式飞行 科学家发现一种空气动力学新机制

2018-10-25 09:14来源:《中国科学报》

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  根据日前发表在《自然》杂志上的一项研究成果,蒲公英的种子是用一种之前被科学家认为在现实世界中根本行不通的方式飞行的。

  当一些动物、飞机或种子飞行时,它们的翅膀或类似翅膀的表面在与空气接触时形成了一种被称为涡流的循环空气环流。这些涡流可以帮助维持将动物、机器或种子提升到空中所需的力量。

  研究人员之前认为,一个独立的涡流太不稳定,因而无法在自然界中持续存在。然而,蒲公英轻而蓬松的种子使用的涡流恰好出现在它们的表面之上,并将种子提升到空中。

  蒲公英的种子长有细长的花丝,它们像自行车轮子上的辐条一样从一根中心柄上放射出来,这一特征似乎是它们飞行的关键。

  英国爱丁堡大学植物科学家、该研究合作者Naomi Nakayama说,许多昆虫在它们的翅膀或腿上都生有这种类似滤过器的结构,这表明在飞行或游泳时使用分离的涡流可能相对普遍。

  研究人员很好奇这些生有刚毛的种子是如何在空中停留的,因为它们看起来与其他植物(例如枫树)翅状的种子大不相同。这些翅状结构就像鸟或飞机的翅膀一样,上下产生不同的压力以便飞行。

  为了找到问题的答案,Nakayama和她的同事把蒲公英种子放在一个垂直的风洞里,并用激光照射种子,以便观察种子周围的气流变化。

  就在此刻,研究人员看到了种子上方的涡流。爱丁堡大学应用数学家、该研究合作者Cathal Cummins说,种子辐条之间的空隙似乎是这些分离涡流保持稳定性的关键。通过辐条运动的空气和在种子周围运动的空气之间的压力差产生了涡流环流。

  Nakayama指出,以前的研究已经发现蒲公英种子的细毛总是在90根到110根之间。她说,这是一种“可怕的一致性”,这种一致性是非常重要的。

  当该研究团队尝试设计小型硅制圆盘模仿这些辐条时,他们制作了一系列开口的模型——从固体圆盘到92%为空气的圆盘,就像蒲公英种子上的结构。当研究人员在风洞中测试这些种子模型时,他们发现,只有最接近蒲公英种子的圆盘才能维持分离的涡流。

  研究人员指出,如果圆盘上的开口数量比蒲公英种子少10%,则涡流就会不稳定。Nakayama说,这些种子看起来飞行效率很低,因为它们有这么大的开放空间,但正是这些开口使得独立的涡流环流能够保持稳定。

  英国哈特菲尔德市皇家兽医学院比较生物力学家Richard Bomphrey说,很高兴看到我们每天都能看到但却没有被完全理解的东西得到了充分的分析。他表示:“尽管人类已经能够以9马赫的速度飞行,但还存在着一些我们不知道的空气动力学机制。这一发现真是令人兴奋。”

  蒲公英是菊科多年生草本植物。蒲公英为头状花序,种子上有白色冠毛结成的绒球,花开后随风飘到新的地方孕育新生命。(赵熙熙)

[责编:白璐]

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