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司古的博客

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种子·进化·学问   

2013-07-01 14:56:49|  分类: 航空知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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种子·进化·学问 - 司古 - 司古的博客

 小时候,淘气的我总是和孩子们在野外爬上槭树,去采集那些扁平的状如飞刀的种子,孩子们也因此称槭树为“飞刀树”。“飞刀树”种子的奇妙之处在于,你从高处把它投下,它会像直升机旋翼一样快速自旋着缓缓下落,那姿态典雅而维美。也正因这个缘故,许多楼房的阳台下被我们抛洒了不少“飞刀”,曾引发清洁工人的诸多抗议。

一颗种子成熟的那一刻,它会追求什么?自然是希望能够迁移到距离母体更远的地方,实现物种基因的繁衍扩散。槭树种子的扩散本领可谓奇特,它会像直升机旋翼一样从母体脱离并旋转下落,尽可能延长留空的时间,这样风就可能把它们吹送到更远的地方。但这些种子为什么能拥有如此本领,却一度是个迷。

科学家显然不会单纯用好玩儿与否来评价槭树的种子。最近荷兰瓦格宁根大学(Wageningen University)和美国加州理工学院的研究者,就合作利用先进的仪器设备对槭树的翼状种子进行了研究,终于揭开了这些种子旋转下落过程中的玄妙之处。

为了揭开其中的秘密,研究人员先是参照槭树种子的形状,用塑料制作了一个长约5英寸的放大版模型,然后将种子固定在一个特殊的机械装置上,让它在盛满矿物油的大罐中像真正飘落时一样作螺旋运动,再用仪器测量油液流场的变化,结果发现“飘落”中的模型会在翼状前缘上方产生类似旋风的涡流,而这种涡流,恰能延缓种子的下落。接下来,研究团队还在瓦格宁根大学建造了一个特制风洞,用真正的槭树种子和烟雾来观察其下落状态,经过32次试验,最终确认槭树种子下落时翼状前缘也会产生涡流,而这些涡流会降低其翼部上表面的压力,产生一个抗拒重力的升力,从而延缓其下落速度。而更有趣的是,槭树种子的翼尖涡流增升机理,与早前科学家们发现昆虫和蜂鸟悬停状态下前后扑翼的增升方式完全一致!这意味着植物和动物在漫长进化过程中,找到了相同的空气动力学方法,来改善它们的飞行能力。

这项研究显然有着现实意义。自旋下降在航空领域有重要应用,一个直接的例证是直升机故障状态下的自转着陆,如果人们能够成功学习槭树种子的本领,也许能够大幅改善直升机自转着陆性能。槭树种子的缓降能力,还意味着可以设计出自旋式降落装置,美国宇航局就曾考虑利用这一技术,开发能够帮助火星探测器减速着陆的特殊机构。

长时间留空意味着长久的观察能力。如果翻看洛马公司的中止计划档案,你会看到一种自旋下落式无人摄像系统。这种设备成本低廉,能够从空中大量布撒,依靠自旋原理长时间留空,并将获取的战场信息实时回传。廉价战场侦察设备,不错的理念,但开发成本决不会低廉,这也正是洛马后来中止该计划的原因——经费不足。看来,向植物学习它们的本领,远不像看起来那么简单。毕竟,人家是学习了数百万年乃至更长,而人类航空科技的历史,若从莱特兄弟的第一飞算起,至今不过110年。

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