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为什么蒲公英种子如此擅长漂浮

揭示蒲公英种子飞行的秘密,以及独特的环状涡流如何帮助它们高效翱翔。

作者:Bill Andrews
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图片来源:Oleksandr Lipko/Shutterstock

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吹蒲公英可能算得上是一项全民体验了。无论是孩子还是成人,都喜欢对着枯萎的药用蒲公英样品哈气,看着它们蓬松的白色种子随风飘散。

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但正如大自然中的一切事物一样,事物之所以如此,是因为它们行之有效。蒲公英种子可以飞行数英里才落地,这让它们成为特别高效的飞行者。而科学家们对此一直不太了解。枫树等其他植物的种子,是通过类似翅膀的设计来获得升空的,所以蒲公英的刷状、羽状种子之所以有效,一定另有原因。

好吧,根据周三发表在《自然》杂志上的一篇论文,苏格兰的一个物理学家团队找到了原因:一种形成在每个种子上方特有的气泡,能帮助种子在空中停留更长时间。这是一种全新的飞行方式,它不仅有助于科学家更好地理解蒲公英,还为探索空气及其他介质中的各种运动开辟了新途径。

恰如其分

研究的第一部分很简单,就是通过超精密 X 射线扫描和常规光学显微镜来研究蒲公英种子的结构。作者们如实报告说,每个冠毛(种子的刷状顶部)平均包含 100 根杆状细丝,每根长约 7.4 毫米,厚 16.3 微米。他们还发现冠毛的孔隙率接近 92%,这意味着上面大部分是空的空间。

现在是精彩的部分。研究团队将蒲公英种子放入一个垂直风洞中,使其能够无限期地漂浮,有效地固定在一定高度。然后,通过长曝光摄影和高速摄像机,他们分析了空气流过冠毛细丝时的行为。这时他们发现了那个气泡,它总是固定在种子下游(也就是上方)的一个固定距离。

不过,严格来说,它并非真正的气泡;作者称之为“分离的环状涡流”(SVR)。与真正气泡的球状空气不同,这种涡流更像一个拉长的甜甜圈,非常高,中间有一个细长的孔。当空气流过冠毛向上时,它会撞击 SVR 的外部,然后被卷入气流并沿着气流向下方的孔流动。它从底部出来,然后又开始向上流动,循环往复。

这一切最终在漂浮的蒲公英种子正上方产生了一个微小的低压区域,减缓了它在空气中的下落速度。

蒲公英的构造

所以,蒲公英种子的冠毛不仅产生了这种 SVR,作者还确定它经过了完美的工程设计,能够稳定那个气泡。这一点至关重要——之前曾有过类似的空气气泡理论,但科学家们认为它们太不稳定,无法在现实生活中形成。他们没有考虑到冠毛孔隙率的力量!

通过测试他们自己设计的、具有不同结构的蒲公英种子,作者们发现,蒲公英种子自然而然地选择了最有效率的方式来创造和维持那个至关重要的 SVR。92% 的孔隙率是关键。

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正如作者所写:“通过揭示蒲公英飞行的物理学原理,我们发现了一种新颖的流体在浸没于流体中的物体周围的行为。”(“流体”一词同时指代气体和液体,这总是让我好奇为什么医生不更具体说明。)基本上,这个团队发现了一种全新的飞行方法,而大自然早已利用了它。

他们写道,类似的结构“在生物界很常见”,因此这项发现也可能帮助科学家们理解其他植物和动物如何在空中和水下移动。而且,这也有可能帮助工程师们设计出更有效的工具来导航这些流体。

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也许下次当你发现自己吹散一朵蒲公英,将它的种子撒向风中时,可以考虑一下这件事。

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