比直升机优雅

农先宇 臧渡洋

许多植物都有依靠风来传播种子的习性，蒲公英更是其中的佼佼者，它能把种子散播到几公里甚至几十公里之外的地方。这个过程中最让人惊奇的是，即使偶有大风吹过，蒲公英种子也能稳稳地保持住几乎直立于地面的姿态，缓缓旋转着继续飞行，就像在跳一段优雅的空中芭蕾。

为什么蒲公英种子在大风中也能如此优雅？其中的关键就是涡环。

什么是涡环？

涡环是一种流体流动的现象。它广泛存在着，大到龙卷风形成的圆圈形状、原子弹爆炸时产生的蘑菇云，小到水族馆中的海豚吐出的圆环气泡、水面上的漩涡，都是因为涡环而导致。

涡环由数个涡动组成。这些涡动是以沿着圆形轨道的切线方向向外或向内运动的，它们又围绕着一个圆形轨道排列成一个大圆环，这种轨道被称为涡环轨道。涡环的形成受流体流动的速度、流体的黏度和流体受到的气压差影响。所以，对于各种外形不同的物体而言，受到不同流体流动所形成的涡环也不一样。

涡环是一种独特的流体流动行为，流体流动可能会使物体的运动受到阻碍，直升机在降落时经常会出现的机身不稳的现象就是受到了涡环的影响。

涡环的伴舞

在蒲公英种子的飞舞过程中，涡环表现得很明显。蒲公英种子由上下两部分构成，分别是上部分的丝状冠毛和下部分的茎与种子核。冠毛由很多根细丝组成，细丝像自行车轮子上的辐条一样从茎与冠毛连接处的中心向外辐射，每根相邻细丝之间存在一个微小的孔隙。种子上端的冠毛会因风吹而改变其中每根细丝的朝向和分布，气流穿过每根细丝之间的孔隙。穿过细丝孔隙的气流又被细丝末尾端阻碍，在冠毛上形成了不平衡的气压差和速度差，导致一对稳定的涡环在蒲公英种子上方形成。这种涡环增加了空气阻力，使种子像降落伞一样减速，不至于因飞行速度太快而翻滚或倾倒，而是缓缓旋转着往前飞行。

科学家研究了蒲公英种子冠毛的细丝间距和雷诺数45（一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。雷诺数较小时，流体流动稳定；反之，流体流动较不稳定。）对飞行的影响——每当有气流通过蒲公英種子的冠毛时，改变冠毛上的细丝数量和孔隙密度，就可以改变冠毛上方形成的涡环性质。在较高的雷诺数或有较多的细丝数量和较多孔隙密度的情况下，涡环会稳定形成；反之，涡环不能稳定形成。也就是说，光秃秃的蒲公英种子是不能玩转空中芭蕾的。

像蒲公英一样飞行？

受到蒲公英的启发，有学者设计了类似的飞行器。它具有飞行时保持稳定，最后直立着陆的功能。它更大的优势在于可以在极低的燃料消耗甚至无燃料消耗的条件下维持飞行，从而满足低成本、大范围的远距离飞行。不过目前，由于关于涡环的作用机制和形成规律还需要进一步的探索研究，该飞行器还无法完美模仿蒲公英种子的飞行模式。

未来，这一支“空中芭蕾”或许能够由你们来实现。