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蒲公英飞呀飞

2018-01-11司古

航空知识 2018年12期
关键词:降落伞风洞中空

司古

轻风吹拂,蒲公英的种子纷纷飞散,飘向远方。与其他植物那些具有飞行能力的种子相比,蒲公英种子的飞行本领一直以来都是个谜团。

10月17日《自然》杂志刊载了一篇由英国爱丁堡大学研究团队撰写的论文,为人们呈现了蒲公英种子惊世骇俗的飞行绝技。在文章开篇,作者这样阐述自己的研究动机:

“植物们沿着一条智慧的道路进化,懂得如何让自己的种子飞到空中。有些植物种子像纸飞机那样滑翔;另一些则像直升机旋翼那样旋转运动。蒲公英则是使用一具有大约100根绒毛状细丝组成的‘降落伞来飞行。这些‘降落伞大部分中空,中空部位占到了90%,但是却能够让种子飞行远达100千米。我们希望弄清楚为什么大自然会进化出如此‘不完美的‘降落伞。我们试图揭示蒲公英种子的飞行机理。”

研究人员建造了一具垂直风洞,在这个小巧的风洞里,气流可以让蒲公英种子悬浮在空中。然后,人们在气流中加入烟雾,使用光栅来分层呈现蒲公英种子“降落伞”内外每一层气流的细微状态。最终,研究人员发现,当气流流经蒲公英种子的“降落伞”时,会在它的上方形成一个极具增阻效应的奇妙环状涡流体——在以往其他具备飞行能力的植物种子中从未发现过这种现象。正是这个奇妙的涡流体赋予了蒲公英种子“降落伞”高于人类降落伞4~5倍的气动效率,而且具备优良的飞行稳定性。通常这种涡流体也会出现在其他飞行物周围,但一般难以稳定,而蒲公英种子产生的脱离涡流环却能稳稳地始终保持在“降落伞”正上方,由此产生的向上吸力有效抵消了部分重力,让它们越飞越远。此时,蒲公英种子中空的“降落伞”发挥了至为关键的作用,绒毛间的空隙让空气恰到好处地流经这里,极好地稳定了涡流环,让它既不会跑远,更不会消失,始终保持在绒毛团的正上方。而这些空气流量,被绒毛之间的距离精确控制着——实在不知道植物是怎样掌握了这种尺度空间下的精确流体力学关系。在研究过程中,人们把这一美妙的脱体涡流環形象地比作“空气泡”。用人类认知的空气动力学理论判断,这个“空气泡”的形成条件十分苛刻,要求蒲公英种子能够在“降落伞”上下以及周围形成并保持极为精准的压力梯度分布。事实证明,蒲公英在漫长进化过程中所掌握的这一本领,并不亚于自诩为智慧超群的人类。研究人员表示,当他们把风洞中拍摄的蒲公英种子周围稳定涡流环的图像展示给空气动力学专家时,后者也都表示极为震惊。

通过这项研究,人们认定蒲公英的种子绝对算是自然界中具备飞行能力的生物中最为优秀的一员。这一切全都得益于它们那降落伞状的绒毛束,帮助它们凭借风力飞到极远的地方。类似蒲公英种子这样的绒毛结构在自然界中并不少见,这一发现揭示了小尺寸环境中一种新颖的运动方式。研究人员认为,蒲公英这种全新的飞行机理(实际上人家这种本领的存在时间至少已有千百万年)可能对小型无人机的研发提供借鉴,帮助它们进一步降低能耗,延长续航时间。这样的小型无人机可以在大气污染监测等方面发挥作用。

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