Кленовые семена летают как животные

В детстве почти всем нравилось запускать вертолетики -- семена клена, которые, вращаясь, медленно падают на землю. Последнее помогает им распространяться на более обширных территориях, ведь медленно приближающиеся к земле зерна ветер уносит дальше. Как именно вращение отдаляет падение семечка, до сих пор не понимали не только дети, но и взрослые. Ученые из Университета Вагенингена в Нидерландах и Калифорнийского технологического института наконец-то раскрыли секрет полета кленовых листьев, а также выяснили, какую выгоду приносит семенам этот полет.

Эксперимент с маслом

Ученые выбрали для своих исследований три вида клена и один граб -- семена этих деревьев, падая, вращаются вокруг своей оси. Чтобы понять аэродинамические процессы, сопровождающие полет семян, исследователи создали модель каждого вида семени, автоматически вращающуюся с помощью электрического привода. Модель поместили в специальный бак с маслом. Скорость вращения и вязкость были выбраны так, чтобы создаваемый модельным семечком поток масла оказался идентичен тому, который создает семечко в воздухе. В масло ученые добавили стеклянные шарики, которые подсвечивались лазером. Процесс снимался на высокоскоростную цифровую фотокамеру. Этот метод, называемый измерением скорости с помощью цифровой визуализации частиц (digital particle image velocimetry -- DPIV), часто применяют для исследования воздушных или жидкостных потоков.

Ученые обработали отснятый материал и обнаружили, что их модельные семена, вращаясь, создают так называемый вихрь у передней кромки -- воздушную воронку наподобие торнадо над центром тяжести падающего крутящегося семечка. Внутри этой воронки создается область пониженного давления, а значит, за счет разности давлений сверху и снизу семечка возникает подъемная сила, противодействующая гравитации и подолгу не позволяющая семени упасть.

Животная сила

Эта сила уже известна ученым. Именно ее используют насекомые, летучие мыши и даже колибри, когда зависают перед цветком, собирая его нектар. Именно подъемная сила, создаваемая вихрями, которые вызывают сложные колебания гибких крыльев шмеля, позволяет ему летать, хотя, по легенде, он и не должен это делать. Получается, что в процессе эволюции не только разные животные -- насекомые, птицы и млекопитающие -- придумали конвергентное аэродинамическое решение. До той же самой идеи «своим умом» дошли и некоторые растения, считают авторы статьи, опубликованной в Science.

[v2] Ученые решили проверить свои модельные эксперименты на настоящем семечке. В масло его поместить не получалось, поэтому его заставили падать в вертикальной аэродинамической трубе, скорость ветра в которой привели в соответствие со скоростью падения семечка. А для визуализации образующихся потоков и ожидаемых вихрей трубу заполнили дымом. Видеофильмы, снятые в трубе с участием 30 разных семян, подтвердили предположение ученых: вихри, приписываемые до этого только крыльям живых организмов, создаются и растительным крылом.

Для чего они вертятся

Зачем дерево старается распространить свои семена как можно дальше -- понятно, под родительским деревом слишком мало ресурсов для их роста, а в далеких землях шансов выжить может быть побольше. Но почему дерево использует именно вращение -- непонятно. Ведь существуют и альтернативные механизмы, к примеру планирование. Впрочем, последнее требует большой площади листа при низкой его массе.

Ученые сравнили соотношение времени падения к загруженности крыла -- весу, который приходится на единицу площади крыла, -- для самовращающихся семян и для планирующих. Они пришли к выводу, что эффективность вращения для распространения семян вдвое выше. В среднем у вращающихся семян загруженность крыла выше в 5,5 раза, чем у планирующих, при этом они падают быстрее всего лишь на 30%. Таким образом, растения, развившие такую интересную форму семян, могут позволить себе тратить энергию на запас питательных веществ в семени, а не на выращивание его огромного крыла.

Ученые полагают, что их исследование будет интересно всем, кто увлекался в детстве подбрасыванием кленовых семечек, а также биологам и эволюционистам. Возможно, их работы принесут и практическую пользу при создании вращающегося парашюта или микроскопического вертолета с одним крылом. Подобные разработки уже есть, но подсмотреть несколько уловок у природы для их усовершенствования не повредит.