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2018-11-01蒲公英種子獨特結構 開啟飛行物設計的嶄新藍圖
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【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.