Кленовые семена и животные используют один и тот же аэродинамический трюк для полета
Семена клена, вращаясь, падают на землю, как миниатюрные вертолеты. Их медленное снижение позволяет ветру уносить их на большие расстояния. Однако то, как именно семенам удается падать так медленно, долгое время оставалось загадкой.
В исследовании, опубликованном 12 июня в журнале Science, ученые из Вагенингенского университета (Нидерланды) и Калифорнийского технологического института (Калтех) раскрыли аэродинамический секрет этих семян.
Исследование под руководством доцента Дэвида Лентинка (Вагенинген) и профессора Майкла Х. Дикинсона (Калтех) показало, что вращение создает над передней кромкой семени вихрь, похожий на торнадо. Этот вихрь на передней кромке снижает давление воздуха над верхней поверхностью «крыла» семени, эффективно подсасывая его вверх и противодействуя силе тяжести. Вихрь удваивает подъемную силу по сравнению с невращающимся семенем.
Использование вихря на передней кромке для увеличения подъемной силы удивительно похоже на прием, который применяют насекомые, летучие мыши и колибри, взмахивая крыльями для зависания в воздухе. Это означает, что растения и животные в ходе эволюции конвергентно пришли к идентичному аэродинамическому решению для улучшения летных характеристик.
Методы исследования
Для измерения воздушного потока ученые создали пластиковые модели семян с радиусом около 12,5 см (в 5–10 раз больше натурального). Модели вращали в большом резервуаре с минеральным маслом с помощью специального робота, модифицированного из устройства Калтеха «Robofly». Размер модели, скорость вращения и вязкость масла были подобраны так, чтобы характеристики потока жидкости были идентичны потоку вокруг настоящих семян в воздухе.
С помощью мощного лазера создавали световой срез, который подсвечивал мельчайшие стеклянные шарики в масле. Камера фиксировала движение этих шариков, что позволило визуализировать вихрь. Измерения силы на модели подтвердили, что вихрь создает дополнительную подъемную силу, замедляющую падение.
Для проверки результатов с моделями команда построила аэродинамическую трубу в Вагенингенском университете, чтобы изучить поток вокруг 32 реальных семян клена, свободно вращающихся в воздухе. Для визуализации использовался дым. Эти эксперименты подтвердили наличие вихря, генерирующего исключительно высокую подъемную силу, аэродинамически схожего с вихрем от машущих крыльев насекомых, летучих мышей и колибри.
Практические последствия
Исследование может иметь значение для:
- Дизайна вращающихся парашютов для космических зондов, исследующих атмосферы планет (например, Марса).
- Создания микро-вертолетов.
«Семена клена могут представлять собой наиболее простую и базовую конструкцию для миниатюрного вертолета, если вращающееся крыло привести в движение микромотором», — говорит Лентинк.
«Существует огромный интерес к разработке микро-летательных аппаратов, которые из-за своего размера должны функционировать по тем же физическим принципам, что и небольшие природные летающие объекты, такие как насекомые и семена клена», — отмечает Дикинсон. Например, компания Lockheed Martin пыталась разработать недорогие «дроны-семена клена» для наблюдения.
«Это по-прежнему открытый вызов для будущих аэрокосмических инженеров, и наше аэродинамическое исследование семян клена может помочь в создании первых успешных летающих "кленовых" вертолетов с двигателем», — добавляет Лентинк.