Физики подули на одуванчики. Паппусы обычных растений продемонстрировали более стабильный полет, чем искусственно измененные образцы

Физики изучили то, как влияет наклон ворсинок в парашютике одуванчика на динамику его полета, и выяснили, что большие углы паппуса увеличивают стабильность вихря при высоких числах Рейнольдса и способствуют долгому падению. При этом экземпляры, которые ученые оставили без изменений, показали более устойчивый полет — авторы работы объяснили это балансом крупномасштабных и мелкомасштабных диффузионных потоков вокруг парашютика. Результаты исследования опубликованы в Physics of Fluids.

Чтобы разнести свои семена на большие расстояния, одуванчики (Taraxacum officinale agg.) используют простую конструкцию, состоящих из трех частей: непосредственно семени, пушистого паппуса и соединяющей их перемычки. Примерно сотня тонких волокон (диаметром около десяти микрометров) обеспечивает хохолку длительный полет, поскольку при диаметре всего парашютика в один миллиметр пористость такого природного летательного аппарата достигает 0,9. Что, в свою очередь, позволяет развивать подъемную силу в четыре раза больше, чем для сплошного диска аналогичного диаметра.

Дело в том, что из-за такой высокой пористости паппуса вокруг парашютика образуется устойчивый воздушный пузырь, который остается стабильным даже при увеличении числа Рейнольдса. Подобные аэродинамические характеристики, естественно, не ускользнули от внимания ученых: физики выяснили, что паппус снижает частоту срыва вихрей в потоке, а его малый угол наклона приводит к разделению вихревого кольца вокруг парашютика. Однако значительная часть проведенных исследований либо основана на численном моделировании без экспериментальной проверки, либо использует в качестве опытных образцов исключительно природные образцы без существенного контроля их характеристик.

Хэ Янь (Yang He) из Северо-западного политехнического университета совместно с коллегами из Китая искусственно модифицировал настоящий одуванчиковый паппус, зафиксировав его угол наклона, а затем измерил аэродинамическое сопротивление образцов, чтобы проверить, как влияет изменение главного параметра на летательные свойства, а также сравнить результат с неизмененными растениями.

Физики нарвали одуванчики на лугу около университета, где ветра с северной части горного хребта Циньлин создали благоприятные условия для распространения семян этого растения. Затем исследователи зафиксировали наклон волосков с помощью фотополимера, получив образцы с углом в диапазоне от 60 до 180 градусов (всего семь значений с промежутком в 20 градусов). Таким способом авторы работы получили экземпляры с разной пористостью, а для контроля экспериментальной методики ученые также использовали необработанные одуванчики. После подготовки физики поместили образцы в аэродинамическую трубу, где измерили аэродинамические характеристики и провели велосиметрию изображения частиц (particle image velocimetry — PIV) в потоке вокруг парашютика.

Авторы исследования отметили, что при уменьшении угла наклона значительно увеличивалась скорость падения: для одуванчиков с углом наклона 180 градусов результат оказался самым низким — 0,25 метров в секунду, а вот образцы с углом 60 градусов дали наибольший результат — 0,46 метров в секунду. При этом скорость падения неизмененных одуванчиков составила примерно 0,32 метров в секунду, что соответствовало скорости падения экземпляров с углом паппусов от 100 до 120 градусов.

Физики также измерили силу аэродинамического сопротивления и критическое число Рейнольдса — значение, при котором течение переходит из ламинарного режима в турбулентный. В итоге для неизмененных одуванчиков сила сопротивления оказалась в диапазоне 6,7-18,0 микроньютон, что в пределах погрешности почти совпало со значениями для образцов с отогнутыми на 180 градусов паппусами. А критическое число Рейнольдса зависело от пористости образцов: максимальное значение в 476 единиц для пористости 0,920 и минимальное около 78 для пористости 0,836. Эта характеристика, которую ученые регулировали наклоном паппусов, напрямую повлияла на стабильность полета парашютиков, однако хохолки неизменных одуванчиков все равно продемонстрировали более стабильный полет, чем модифицированные экземпляры.

Ученые объяснили такие результаты тем, что с увеличивающимся углом наклона ослабевает влияние мелкомасштабной диффузии из внешних высокопористых областей. Другими словами, больший наклон паппуса усиливает так называемый «эффект стенки» — явление, похожее на эффект Коанда, в котором поддерживается развитие крупномасштабных вихревых структур ниже по течению паппуса. В то время как для меньших углов наклона, наоборот, мелкомасштабные структуры легко диффундируют к продольной оси хохолка. А для паппусов, оставшихся без перестройки структуры, сохранился баланс диффузионных потоков, что в конечном счете привело к более стабильному полету.

Одуванчики не единственные растения, которые распространяют свои семена с помощью воздушных потоков. О том, как плоды и семена других растений занимаются воздухоплаванием, читайте в нашем материале «Лети отсюда».

Источник