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平常的蒲公英，科學(xué)家卻用流體動(dòng)力學(xué)，尋找蒲公英棒的最佳排列！

2019-08-28 15:43 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

平常的蒲公英，科學(xué)家卻用流體動(dòng)力學(xué)，尋找蒲公英棒的最佳排列！來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、特恩特大學(xué)和比薩大學(xué)的一組研究人員，利用流體動(dòng)力學(xué)方程來尋找蒲公英中棒的最佳排列方式。

在他們發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的研究論文中，該小組描述了其研究及其成果。此前愛丁堡大學(xué)一個(gè)研究小組發(fā)表了他們對(duì)蒲公英種子飛行的研究結(jié)果，該研究使用了攝像機(jī)和微型風(fēng)洞。

發(fā)現(xiàn)這種紙蒲團(tuán)的獨(dú)特設(shè)計(jì)（看起來像降落傘一樣的冠毛）讓種子以一種非常有效的方式在風(fēng)中漂浮。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)帕普斯星漂浮時(shí)，這些刺會(huì)引導(dǎo)周圍的空氣，從而在帕普斯星的尾流中形成漩渦。由于渦旋中的氣壓較低，帕普斯和它載籽船能夠在空中停留的時(shí)間比不這樣做要長(zhǎng)。在這項(xiàng)新的研究中，研究人員試圖更好地理解棘的數(shù)量在產(chǎn)生渦流和保持飛行穩(wěn)定方面的作用，為了更好地理解蒲公英種子冠毛的飛行行為。

研究人員利用流體動(dòng)力學(xué)方程建立了模型來模擬它的行為。在研究將模型描述為連接在一起的桿集合，其方式類似于自行車車輪上的輻條。物理方程使他們能夠模擬當(dāng)蒲公英種子冠毛在空氣中漂浮時(shí)自然發(fā)生的氣流模式。研究模型顯示了與先前研究人員親眼所見相同類型的渦旋形成。接下來使用不同數(shù)量的棒來運(yùn)行模型，發(fā)現(xiàn)最佳數(shù)量是100，這與在真實(shí)的蒲公英種子中發(fā)現(xiàn)的數(shù)量相匹配，在這個(gè)數(shù)值上，蒲公英種子冠毛是最穩(wěn)定的。

而漂浮時(shí)，隨著桿數(shù)的增加，飛行變得不穩(wěn)定；桿數(shù)越少，飛行距離越短。研究人員認(rèn)為此發(fā)現(xiàn)可以用來設(shè)計(jì)更輕的降落傘。流動(dòng)不穩(wěn)定性的研究與控制是空氣動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。飛機(jī)的設(shè)計(jì)不僅是為了產(chǎn)生平衡重量所需的升力，更重要的是，在巡航條件下保持穩(wěn)定和機(jī)身的穩(wěn)定。類似的流動(dòng)穩(wěn)定性能自然是由生物飛行物體能實(shí)現(xiàn)，比如蒲公英種子，由于一種叫做冠毛的圓盤狀結(jié)構(gòu)，蒲公英種子被風(fēng)吹走，研究人員創(chuàng)造這一種傘流結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)了不起的原型。

研究展示了如果種子的冠毛完全不透水，尾流將不穩(wěn)定，如何通過改變結(jié)構(gòu)來穩(wěn)定尾流，從而讓氣流通過。研究利用各向異性非均勻剛性多孔板的逼近方法，結(jié)合線性穩(wěn)定分析技術(shù)，對(duì)該問題進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，平均孔隙度閾值的存在，超過這個(gè)閾值，流體的特征總是一個(gè)分離、穩(wěn)定、軸對(duì)稱的再循環(huán)渦環(huán)。該閾值與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的孔隙度值非常接近，這解釋了為什么蒲公英冠毛形態(tài)促進(jìn)了穩(wěn)定的尾流狀態(tài)。