蒲公英種子飛行的秘密

2021-01-19 CFD科普小站
我們每個人在某一時候都扮演過蒲公英旅行社的角色，只需要吹一小口氣就可以將蒲公英的種子吹入微風中。在開花過後，蒲公英的頂端會長出數十個可飛行的成熟種子，每個種子都有自己的「降落傘」。與普通降落傘不同的是，蒲公英的降落傘傘蓋是由大約一百根絨毛構成，如同稀疏而細膩的羽毛一樣。蒲公英種子的這個特點使得其飛行的機制與通常的降落傘或者擁有翅膀的鳥類是不同的。

通常的降落傘是依靠巨大的傘蓋產生足夠的空氣阻力來平衡重力。而鳥類在飛行時，在翅膀的後緣處產生渦旋，同時在翅膀的下方和上方會產生壓力差，由於翅膀下方的壓力較大，因此這個壓力差便會產生升力，使得鳥類可以保持在空中。而蒲公英種子的結構則完全不同，其絨毛像自行車車輪上的輻條一樣從中心處的莖放射出來，無法如同降落傘的傘蓋一樣產生足夠大的空氣阻力，同時也沒有鳥類翅膀的翼型。因此蒲公英飛行所需升力的產生機制與鳥類翅膀和降落傘是完全不同的。 英國愛丁堡大學的研究人員通過研究發現[2,3]，蒲公英種子飛行的秘密在於絨毛之間的間隙。在飛行時，穿過絨毛間隙的空氣在蒲公英種子的上方形成了一個渦流環。高速攝影機顯示，空氣從下到上從蒲公英的絨毛間的間隙通過後，迅速地流向渦流環的中心。同時，在渦流環處，空氣的壓力較低，因此就與周圍的空氣形成了壓力差，該壓力差便提供了蒲公英飛行所需要的升力。 

研究人員同時發現[2,3]，每個蒲公英種子的絨毛總是在90根到110根之間。從頂端看，這些絨毛只佔整個蒲公英種子橫截面面積的百分之十左右，也就是說絨毛之間間隙的面積佔有百分之九十左右，而這個間隙面積的佔比對蒲公英種子上方的渦流環的產生和穩定有著非常重要的作用。

從頂端看，蒲公英的絨毛間隙的面積約佔整個橫截面積的90%[2]


研究人員利用小型矽制絨毛來模仿蒲公英的絨毛，並製作出不同間隙面積佔比的蒲公英種子模型，並在風洞中測試這些模型種子。結果發現，要使模型蒲公英上方產生的渦流環能夠保持穩定地存在，模型絨毛間隙的面積佔比必須在90%左右，這一數值與真實蒲公英絨毛間隙的面積佔比是一致的。當絨毛間隙的面積佔比減少10%時，蒲公英模型上方產生的渦流環無法穩定地存在。這個研究結果說明了蒲公英種子絨毛間隙的佔比對維持蒲公英飛行的重要作用。


其實不僅是蒲公英，一些動物的飛行和遊動方式也採用相似的方式[2]。一些非常小的昆蟲沒有其它昆蟲所具有的膜狀翅膀（例如蜻蜓、蜜蜂等），而是具有由一根根剛毛構成的翅膀。剛毛狀的結構減小了伸展翅膀所需要的力，從而使得這些昆蟲可以利用只佔翅膀橫截面10%的剛毛產生了90%的升力，使得這些昆蟲可以空中飛行。

[1]https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/dandelion-seed-flight/

[2]Cummins, C., Seale, M., Macente, A., Certini, D., Mastropaolo, E., Viola, I.M. and Nakayama, N., 2018. A separated vortex ring underlies the flight of the dandelion. Nature, 562(7727), pp.414-418.

[3]Ledda, P.G., Siconolfi, L., Viola, F., Camarri, S. and Gallaire, F., 2019. Flow dynamics of a dandelion pappus: A linear stability approach. Physical Review Fluids, 4(7), p.071901.

 

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