比直升機優(yōu)雅

農(nóng)先宇 臧渡洋

許多植物都有依靠風來傳播種子的習性，蒲公英更是其中的佼佼者，它能把種子散播到幾公里甚至幾十公里之外的地方。這個過程中最讓人驚奇的是，即使偶有大風吹過，蒲公英種子也能穩(wěn)穩(wěn)地保持住幾乎直立于地面的姿態(tài)，緩緩旋轉(zhuǎn)著繼續(xù)飛行，就像在跳一段優(yōu)雅的空中芭蕾。

為什么蒲公英種子在大風中也能如此優(yōu)雅？其中的關鍵就是渦環(huán)。

什么是渦環(huán)？

渦環(huán)是一種流體流動的現(xiàn)象。它廣泛存在著，大到龍卷風形成的圓圈形狀、原子彈爆炸時產(chǎn)生的蘑菇云，小到水族館中的海豚吐出的圓環(huán)氣泡、水面上的漩渦，都是因為渦環(huán)而導致。

渦環(huán)由數(shù)個渦動組成。這些渦動是以沿著圓形軌道的切線方向向外或向內(nèi)運動的，它們又圍繞著一個圓形軌道排列成一個大圓環(huán)，這種軌道被稱為渦環(huán)軌道。渦環(huán)的形成受流體流動的速度、流體的黏度和流體受到的氣壓差影響。所以，對于各種外形不同的物體而言，受到不同流體流動所形成的渦環(huán)也不一樣。

渦環(huán)是一種獨特的流體流動行為，流體流動可能會使物體的運動受到阻礙，直升機在降落時經(jīng)常會出現(xiàn)的機身不穩(wěn)的現(xiàn)象就是受到了渦環(huán)的影響。

渦環(huán)的伴舞

在蒲公英種子的飛舞過程中，渦環(huán)表現(xiàn)得很明顯。蒲公英種子由上下兩部分構成，分別是上部分的絲狀冠毛和下部分的莖與種子核。冠毛由很多根細絲組成，細絲像自行車輪子上的輻條一樣從莖與冠毛連接處的中心向外輻射，每根相鄰細絲之間存在一個微小的孔隙。種子上端的冠毛會因風吹而改變其中每根細絲的朝向和分布，氣流穿過每根細絲之間的孔隙。穿過細絲孔隙的氣流又被細絲末尾端阻礙，在冠毛上形成了不平衡的氣壓差和速度差，導致一對穩(wěn)定的渦環(huán)在蒲公英種子上方形成。這種渦環(huán)增加了空氣阻力，使種子像降落傘一樣減速，不至于因飛行速度太快而翻滾或傾倒，而是緩緩旋轉(zhuǎn)著往前飛行。

科學家研究了蒲公英種子冠毛的細絲間距和雷諾數(shù)45（一種可用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)。雷諾數(shù)較小時，流體流動穩(wěn)定；反之，流體流動較不穩(wěn)定。）對飛行的影響——每當有氣流通過蒲公英種子的冠毛時，改變冠毛上的細絲數(shù)量和孔隙密度，就可以改變冠毛上方形成的渦環(huán)性質(zhì)。在較高的雷諾數(shù)或有較多的細絲數(shù)量和較多孔隙密度的情況下，渦環(huán)會穩(wěn)定形成；反之，渦環(huán)不能穩(wěn)定形成。也就是說，光禿禿的蒲公英種子是不能玩轉(zhuǎn)空中芭蕾的。

像蒲公英一樣飛行？

受到蒲公英的啟發(fā)，有學者設計了類似的飛行器。它具有飛行時保持穩(wěn)定，最后直立著陸的功能。它更大的優(yōu)勢在于可以在極低的燃料消耗甚至無燃料消耗的條件下維持飛行，從而滿足低成本、大范圍的遠距離飛行。不過目前，由于關于渦環(huán)的作用機制和形成規(guī)律還需要進一步的探索研究，該飛行器還無法完美模仿蒲公英種子的飛行模式。

未來，這一支“空中芭蕾”或許能夠由你們來實現(xiàn)。