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蒲公英种子飞行机制揭示新型流体行为

2019-01-09 10:01来源:新华网

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  相信圆球状、毛茸茸的白色蒲公英是不少人的童年回忆,见到它便会忍不住吹上一吹。看着蒲公英种子随风向四面八方飘散,想象着它会飘落何方,在哪里繁衍生息。

  蒲公英的种子是如何随风飞行的?它不像鸟儿、昆虫一样拥有翅膀,怎么能在空中飞行几百米,甚至更远的距离?

  这种看似不可能的飞行背后是蒲公英种子独特的飞行机制。科学家用实验作了解答。他们构建了一个垂直的风洞,可以使种子保持在一个稳定的高度上盘旋。然后把蒲公英种子放进风洞,尝试用长时间曝光摄影和高速成像,来观察种子周围的气流变化,发现蒲公英种子上方的空气形成了一个“分离的涡环”。

  “分离的涡环”是由其种子毛茸茸的冠毛所形成的一种环形的气泡,就像漩涡一样。这种涡环形成在蒲公英种子顶部的垂直上方、冠毛的下方,与种子本体分离。冠毛本身运动产生的气流和在种子周围的气流之间形成了压力差,产生了涡流环流。涡流环流在增加了空气阻力的同时,也让种子像降落伞一样减缓了下降速度。

  如果涡流环流只是减缓了下降速度,那蒲公英的飞行距离该如何保证呢?

  蒲公英种子要飞行较远的距离,还需要保持在一个比较稳定的飞行高度。所以我们刚才提到的“分离的涡环”还有一个非常重要的作用,它可以稳定地保持在蒲公英冠毛下部固定距离的位置。冠毛由细长的花丝形成,它们就像自行车轮子上的辐条一样从一根中心柄上放射出来,科学家给它起了一个非常贴切的名字——种子辐条。这样的种子辐条数始终保持在90根到110根之间,他们之间的孔隙度受到精准的调控。这种“一致性”是蒲公英种子上方的分离涡流保持稳定性的关键,从而有助于种子在长时间、远距离飞行中保持稳定。

  科学家通过实验印证了这一理论,他们尝试设计小型硅制圆盘模仿这些辐条时,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发现,只有最接近蒲公英种子的圆盘才能维持分离的涡流。如果圆盘上的开口数量减少10%,那这个独立涡流的稳定性将不复存在。

  这种“一致性”让蒲公英种子在保持飞行高度方面的效率是人造降落伞的四倍。在飞行的过程中,虽然蒲公英种子一般能够移动差不多一公里以上的距离,但是它通常落在花周围2米以内。蒲公英种子这种精准的调控能力真是令人叹为观止。

  蒲公英种子的冠毛和由冠毛的独特结构形成的分离涡环是它能在空中自由自在飞行的原因。我们还可以运用这一机制来设计微型空中无人机,这样的无人机不用供电,可以用来监测空气污染,兼顾经济效益和生态效益。(王若雅)

[责编:张梦凡]

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