西四逸先生，神经科学/机械工程/应用数学 阅读原文 自问自答，简单从蒲公英种子的结构和流体力学性质写写为什么它们能飞很远。 图 1. 蒲公英 蒲公英广泛的分布在全世界的温带地区，这种多年生菊科植物之所以能够成功分布在这么广阔的区域，离不开它们轻飘飘的，一吹就能飞好远的种子。据相关研究，尽管蒲公英大部分的种子会落在植株两米以内的范围，但在条件适宜的情况下，它们可以随风飞行几十公里，甚至上百公里。那么为什么它们能飞这么远呢？ 图 2. 蒲公英俯视图，其中白条长度 5 毫米 (Cummins et al., 2018) 想必大家小时候都吹过蒲公英，也欣赏过蒲公英果实随风飞舞的美景。想到为什么它们能在空中慢悠悠的往下落，我们中的大多数肯定都会不假思索，因为它重量轻啊，它密度低啊。当然，轻是很重要的原因，但似乎它还有别的飞行秘密。图 2 是一粒蒲公英种子的俯视图，我们可以发现从蒲公英种子的中心向外放射状的长着很多细长的花丝，这些花丝在宏观上来看就是没吹之前的蒲公英上面的那些毛茸茸的白毛。这里问题来了，那么蒲公英的种子为什么要用这些细长的花丝，而不是降落伞式（致密圆盘）的结构提供更大的浮力，或者直接像枫树果实一样长上一对翅膀（图 3）？ 图 3. 枫树种子 为了搞清楚这个问题，研究人员们 (Cummins et al., 2018) 搭了个垂直风洞，然后找来了一些蒲公英种子进行实验，还给蒲公英种子下落过程周围的流场拍了照片，如图 4。我们可以发现，蒲公英的上方形成了两个涡旋，并产生了向上的拖拽力，注意这种拖拽力和飞机的升力（图 5）原理是不一样的。并且，在下落速度较低的时候，上方的两个涡旋会变得更大，并且非常对称。对称的涡旋保证了蒲公英自身的稳定性（花丝与地面水平，果实指向下方）和足够的升力，让它可以在大风里依旧保持姿态飘向远方。更神奇的是，所有蒲公英种子被吹离植株之后，都会很快调整成为这种稳定的结构（图 4 右，实际上图 4 左是在风洞里吹出来的），这很有可能是一种不断与自然相适应的结果。 图 4. 较高速下落（左）和较低速下落（右）状态下的蒲公英 (Cummins et al., 2018) 图 5. 飞机起飞时机翼上的涡旋 研究人员还发现这种花丝放射状的结构在蒲公英大小的尺度，能提供四倍于降落伞式结构的向上拖拽力，说明在这个尺度上这种结构是非常有效的。并且，他们还人工制造了这种丝状的疏松结构，最终验证了他们的理论。这些内容请大家参考原文，在此不多做解释了。 图 6. 某种蓟马的翅膀 非常有意思的是，在自然界中不止蒲公英采用了这种结构用于飞行，很多小昆虫的翅膀实际上也用了类似的原理。比如如图 6，某种蓟马（Thrips physapus L.）的翅膀就采取了类似的结构，只用了致密翼型翅膀 10% 的重量，却能产生 90% 的拖拽力。还有一些生活在水中的昆虫的幼虫（比如黑蝇）也采取了类似的方式为运动提供动力。鉴于大家不是都能接受这种昆虫的相貌，图片就不在这里放了。 这篇回答主要基于爱丁堡大学研究团队在《自然》杂志上发表的一篇文章(Cummins et al., 2018)，内容上无论是流体力学还是植物学的知识都来源于这篇文章。这篇文章发表的时候，负责流体力学部分的通讯作者正在给我们上大四的流体力学课程，还在课上给我们简单介绍了他们的这个研究，最近趁着疫情在家抽空读了一下，确实是篇有意思的文章。 Cummins, C., Seale, M., Macente, A., Certini, D., Mastropaolo, E., Viola, I. M., & Nakayama, N. (2018). A separated vortex ring underlies the flight of the dandelion. Nature, 562(7727), 414–418. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0604-2 阅读原文
