蒲公英的物理现象与解释

平常的蒲公英，科学家却用流体动力学，寻找蒲公英棒的最佳排列！来自洛桑联邦理工学院、特恩特大学和比萨大学的一组研究人员，利用流体动力学方程来寻找蒲公英中棒的最佳排列方式。在他们发表在《物理评论快报》上的研究论文中，该小组描述了其研究及其成果。此前爱丁堡大学一个研究小组发表了他们对蒲公英种子飞行的研究结果，该研究使用了摄像机和微型风洞。

发现这种纸蒲团的独特设计（看起来像降落伞一样的冠毛）让种子以一种非常有效的方式在风中漂浮。研究发现，当帕普斯星漂浮时，这些刺会引导周围的空气，从而在帕普斯星的尾流中形成漩涡。由于涡旋中的气压较低，帕普斯和它载籽船能够在空中停留的时间比不这样做要长。在这项新的研究中，研究人员试图更好地理解棘的数量在产生涡流和保持飞行稳定方面的作用，为了更好地理解蒲公英种子冠毛的飞行行为。

研究人员利用流体动力学方程建立了模型来模拟它的行为。在研究将模型描述为连接在一起的杆集合，其方式类似于自行车车轮上的辐条。物理方程使他们能够模拟当蒲公英种子冠毛在空气中漂浮时自然发生的气流模式。研究模型显示了与先前研究人员亲眼所见相同类型的涡旋形成。接下来使用不同数量的棒来运行模型，发现最佳数量是100，这与在真实的蒲公英种子中发现的数量相匹配，在这个数值上，蒲公英种子冠毛是最稳定的。

而漂浮时，随着杆数的增加，飞行变得不稳定；杆数越少，飞行距离越短。研究人员认为此发现可以用来设计更轻的降落伞。流动不稳定性的研究与控制是空气动力学中的一个关键问题。飞机的设计不仅是为了产生平衡重量所需的升力，更重要的是，在巡航条件下保持稳定和机身的稳定。类似的流动稳定性能自然是由生物飞行物体能实现，比如蒲公英种子，由于一种叫做冠毛的圆盘状结构，蒲公英种子被风吹走，研究人员创造这一种伞流结构，它是一个了不起的原型。

研究展示了如果种子的冠毛完全不透水，尾流将不稳定，如何通过改变结构来稳定尾流，从而让气流通过。研究利用各向异性非均匀刚性多孔板的逼近方法，结合线性稳定分析技术，对该问题进行了研究。结果表明，平均孔隙度阈值的存在，超过这个阈值，流体的特征总是一个分离、稳定、轴对称的再循环涡环。该阈值与实验观测到的孔隙度值非常接近，这解释了为什么蒲公英冠毛形态促进了稳定的尾流状态。