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科学家揭示枫树种子利用前缘涡旋实现长距离漂浮的流体动力学机制

2009-06-29 08:23 群芳 科学时报 阅读 0
核心摘要: 最新研究揭示枫树种子通过翅膀前缘形成的涡旋产生升力,显著延长空中漂浮距离。这一机制首次在植物种子中被发现,类似于昆虫和鸟类的飞行原理,深化了对自然界飞行动力学的理解,并为飞行器设计提供新思路。

每年春季,枫树的种子通过旋转滑翔的方式从树上飘落,类似直升机的旋翼运动。在有风的条件下,一颗枫树种子甚至能够在空中漂浮长达一公里,最终降落在新的土地上,开始其生长过程。最新研究发现,枫树种子能够借助其薄如纸的“翅膀”前缘形成的小型气旋(涡旋)产生升力,从而延长空中停留时间。这种气旋机制此前已被发现于蛾类、蝙蝠和鸟类的飞行中,但首次被证实在植物种子中发挥作用。

荷兰瓦赫宁根大学动物学家David Lentink及其团队为研究该机制,制造了一个尺寸约为普通枫树种子10倍的人工模型,采用丙烯酸树脂材质以便精确测量空气流动。研究人员将模型固定在机械臂上,在充满石蜡油和数千颗玻璃球的容器中旋转机械臂。通过激光照射,玻璃球被照亮,显示出与种子翅膀平行的龙卷风状涡旋。Lentink解释称,该涡旋降低了种子上方的气压,从而产生向上的升力,减缓种子下降速度。

为了验证模型的真实性,研究团队进一步构建了风洞实验,利用烟尘追踪真实枫树种子在空中旋转时的气流。实验结果显示,真实种子翅膀前缘同样形成了与人工模型中观察到的涡旋一致的气旋结构,证实了该升力机制的存在。该研究成果于2024年6月12日发表在美国《科学》杂志上。

瑞典兰德大学理论生态学家Anders Hedenstrom指出,翅膀或螺旋桨前缘涡旋是昆虫、蝙蝠和鸟类飞行中产生高效升力的关键普适机制。美国杜克大学生物机械学家Steven Vogel强调,植物在利用类似动物的流体动力学机制方面展现出惊人的“智慧”,但这一点往往未被充分认可。Lentink表示,该发现不仅深化了对自然界飞行机制的理解,也为未来飞行器设计提供了新思路,例如用于其他星球探测的降落伞和直升机设计中。

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