蒲公英種子獨特結構 開啟飛行物設計的嶄新藍圖

【本刊訊】相信許多人都吹過蒲公英的種子,一片雪白紛飛的浪漫畫面下,卻讓近日的科學家找到了獨特的飛行元素!蘇格蘭愛丁堡大學(University of Edinburgh)物理學家日前於Nature期刊發表最新研究,表明蒲公英種子能飄移千里的秘訣,在於能產生推動力並穩定移行的構造——分離渦旋(detached vortex)。

蒲公英的種子在經過風吹使防護織物剝離後,形成傘骨結構般的冠毛(pappus),其能協助種子保持在高處;冠毛由細絲(filaments)組成,間隙相當地大,能讓空氣上下刷動。這種被動飛行機制(passive flight mechanism)相當有效,能讓種子透過風傳遞很遠的距離。然而在此之前,這種由冠毛所介導的獨特飛行機制,在物理學的領域裡仍是個謎。實驗過程中,研究員將蒲公英種子置入一垂直的風道(wind tunnel)裡,使其能持續漂浮於空中,並以長時間曝光攝影(long-exposure photography)與錄像來分析空氣的行為。利用雷射光照射蒲公英種子飛行時的周圍氣流,研究團隊發現了分離渦旋,其為漂浮在冠毛上方、狀似甜甜圈的再循環流體(recirculating fluid),經過冠毛流後便分離開來。

研究人員利用微製盤(microfabricated disks)來量測圓環的孔隙率梯度(porosity gradient),發現與該環相類似的孔隙率,能產生冠毛的流體行為。

由於蒲公英的種子間隙相當多,但其細絲一致落在90~110的數量範圍裡,研究人員表示,這些細絲的數量與空隙似乎能被精確調校,以穩定移行渦旋(locomotive vortex)。應用數學家庫敏(Cathal Cummins)解釋,這些渦旋飄浮於種子上方,而種子上細絲的空隙顯然是獨立渦旋穩定性的關鍵;間隙間因氣流導致的壓力差,與流動在種子周圍的空氣,便形成一個個的渦流環。

透過蒲公英種子飛行機制的解析,若將其運用在某些設備的設計上,將能大幅提升空氣動力學上的負載力、減少材料的使用,對自然或人造結構上的運動都相當有助益。此外,分離渦旋的發現也進一步證實,流體浸沉體(fluid-immersed bodies)周圍存在一種新的流體行為。蒲公英看似普通卻蘊藏著的巨大能量,這個新發現可望為飛行物設計開啟新的篇章。

新聞來源
Cathal Cummins et al., separated vortex ring underlies the flight of the dandelion, Nature, Vol: 562, pp. 414-418, 2018.

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