蒲公英种子飞行的秘密

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我们每个人在某一时候都扮演过蒲公英旅行社的角色，只需要吹一小口气就可以将蒲公英的种子吹入微风中。在开花过后，蒲公英的顶端会长出数十个可飞行的成熟种子，每个种子都有自己的“降落伞”。与普通降落伞不同的是，蒲公英的降落伞伞盖是由大约一百根绒毛构成，如同稀疏而细腻的羽毛一样。蒲公英种子的这个特点使得其飞行的机制与通常的降落伞或者拥有翅膀的鸟类是不同的。

通常的降落伞是依靠巨大的伞盖产生足够的空气阻力来平衡重力。而鸟类在飞行时，在翅膀的后缘处产生涡旋，同时在翅膀的下方和上方会产生压力差，由于翅膀下方的压力较大，因此这个压力差便会产生升力，使得鸟类可以保持在空中。而蒲公英种子的结构则完全不同，其绒毛像自行车车轮上的辐条一样从中心处的茎放射出来，无法如同降落伞的伞盖一样产生足够大的空气阻力，同时也没有鸟类翅膀的翼型。因此蒲公英飞行所需升力的产生机制与鸟类翅膀和降落伞是完全不同的。

英国爱丁堡大学的研究人员通过研究发现[2,3]，蒲公英种子飞行的秘密在于绒毛之间的间隙。在飞行时，穿过绒毛间隙的空气在蒲公英种子的上方形成了一个涡流环。高速摄影机显示，空气从下到上从蒲公英的绒毛间的间隙通过后，迅速地流向涡流环的中心。同时，在涡流环处，空气的压力较低，因此就与周围的空气形成了压力差，该压力差便提供了蒲公英飞行所需要的升力。

蒲公英上方在其飞行产生的涡旋[2]

研究人员同时发现[2,3]，每个蒲公英种子的绒毛总是在90根到110根之间。从顶端看，这些绒毛只占整个蒲公英种子横截面面积的百分之十左右，也就是说绒毛之间间隙的面积占有百分之九十左右，而这个间隙面积的占比对蒲公英种子上方的涡流环的产生和稳定有着非常重要的作用。

研究人员利用小型硅制绒毛来模仿蒲公英的绒毛，并制作出不同间隙面积占比的蒲公英种子模型，并在风洞中测试这些模型种子。结果发现，要使模型蒲公英上方产生的涡流环能够保持稳定地存在，模型绒毛间隙的面积占比必须在90%左右，这一数值与真实蒲公英绒毛间隙的面积占比是一致的。当绒毛间隙的面积占比减少10%时，蒲公英模型上方产生的涡流环无法稳定地存在。这个研究结果说明了蒲公英种子绒毛间隙的占比对维持蒲公英飞行的重要作用。

其实不仅是蒲公英，一些动物的飞行和游动方式也采用相似的方式[2]。一些非常小的昆虫没有其它昆虫所具有的膜状翅膀（例如蜻蜓、蜜蜂等），而是具有由一根根刚毛构成的翅膀。刚毛状的结构减小了伸展翅膀所需要的力，从而使得这些昆虫可以利用只占翅膀横截面10%的刚毛产生了90%的升力，使得这些昆虫可以空中飞行。

[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.

本文转载自*****《CFD科普小站》

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首次发布时间：2020-11-11