Пушистая головка семени одуванчика - эта прозрачная белая сфера, которая на самом деле представляет собой гроздь семян на тонких нитях - приводит в бешенство садоводов, но восхищает физиков. Это потому, что эти семена могут дать ключевое представление о физике парашютов, полезных для разработки небольших дронов или микролетательных аппаратов (MAV).
Междисциплинарное сотрудничество трех групп, включая исследователей в области гидродинамики, микропроизводства и биомеханики из Эдинбургского университета в Шотландии, представит свои выводы по этой теме на 70-м ежегодном собрании Отдела гидродинамики Американского физического общества, которое состоится в ноябре..19-21, Денвер, Колорадо. Исследователи выясняют, почему при низких числах Рейнольдса правила для больших парашютов не применяются к маленьким одуванчикам. Число Рейнольдса, отношение сил инерции к силам вязкости, часто используется в технике для прогнозирования того, будут ли условия течения турбулентными, с высоким числом Рейнольдса или ламинарными. Хотя физика и правила проектирования искусственных парашютов хорошо изучены, до усилий эдинбургской команды обтекание миниатюрного парашюта из одуванчика не было.
Ответ, по словам члена исследовательской группы Катала Камминса, находится в вихре. «В нашей работе мы раскрываем механизм полета плода одуванчика, прыгающего с парашютом, и выявляем новый тип вихря, ответственного за его летную способность», - сказал Камминс.
Работа потенциально может быть применена к миниатюризации MAV, полезных для дистанционного наблюдения и рассеивания в ряде приложений, от сельского хозяйства до исследования космоса, особенно в опасных для человека условиях. Их работы начинаются с модели парашюта.
«Когда парашютисты прыгают с большой высоты в атмосферу, возникает множество вопросов, которые необходимо учитывать», - сказал Камминс.
Одуванчик разработал парашют, учитывающий атмосферные условия, несущий свое семя в медленном, устойчивом спуске и с минимальным использованием материалов. С точки зрения физики, парашют-одуванчик эволюционировал для достижения высокого лобового сопротивления без ущерба для стабильности и с очень небольшим количеством материала - это 90 процентов пустого пространства. Это приводит к четырехкратному увеличению коэффициента лобового сопротивления по сравнению с непроницаемой мембраной, такой как секция крыла. «Наше исследование может изменить парадигму проектирования небольших пассивных летательных аппаратов, таких как микролетательные аппараты», - сказал Камминс.
Предыдущие модели плода одуванчика считали, что каждая нить парашюта действует независимо, и что общая сила сопротивления парашюта может быть найдена путем сложения каждого из этих вкладов.
«Реальность совершенно иная: летная способность одуванчика усиливается за счет «соседнего эффекта» соседних нитей, которые действуют вместе, создавая отдельный тороидальный вихрь (STV) в следе одуванчика», - сказал Камминс..
В лаборатории исследователи показали, что создание миниатюрного парашюта с низкой пористостью приводит к дестабилизации этого STV и, следовательно, поворотному моменту, заставляющему плод вращаться. Выбрав высокопористый парашют, одуванчик пропускает достаточно воздуха через свой купол, чтобы стабилизировать этот STV, устраняя этот поворотный момент. При этом коэффициент лобового сопротивления парашюта в четыре раза выше, чем у малопористого. «Наше исследование показывает, что парашют одуванчика - прекрасный пример того, что меньше значит больше», - сказал Камминс.