| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Pasívne lietanie semien púpavy
Vladimír Scholtz
Jednou z hlavných stratégií rastlín je ich snaha rozšíriť svoje semená do nových oblastí. Niektoré si pre tento účel zvolili pasívny prenos semien vetrom a ich tvar tomuto účelu náležite prispôsobili. Krytosemenné kvitnúce rastliny k tomu mali viac než 100 miliónov rokov, a preto sú ich metódy veľmi efektívne. V poslednom čísle časopisu Nature sa objavil článok [1], v ktorom je popísaný zaujímavý spôsob pasívneho lietania semien obyčajnej púpavy (pozn. red.: česky pampeliška). Semená púpavy ako aj iných astrovitých rastlín sú bežne roznášané do vzdialenosti niekoľko desiatok kilometrov, príležitostne až 150 kilometrov.
Rastliny rozširujúce sa vetrom si vyvinuli rôzne metódy pasívneho plachtenia, ktoré je možné v jednoduchosti zhrnúť tak, že sa snažia prúdiacemu prostrediu klásť čo najväčší odpor. Na Obrázku 1 je z profilu naznačený spôsob nadnášania krídla lietadla alebo vtáka pri plachtení pri rôznych rýchlostiach letu. Pri malých rýchlostiach je prúdenie vzduchu okolo krídla laminárne a ako je možné vidieť, trajektórie prúdnic tečúcich ponad krídlo sú dlhšie ako tých, ktoré tečú popod krídlo. Vzduch musí preto vrchnými prúdnicami prúdiť rýchlejšie, a tým pádom je jeho tlak nižší – to vyplýva z Bernoulliho rovnice. Tlak na krídlo zhora je teda nižší ako tlak zdola a výsledná tlaková sila pôsobí smerom hore – vzniká tzv. vztlak. Pri vyšších rýchlostiach alebo väčších nábehových uhloch začína byť najmä za krídlom prúdenie turbulentné, ktoré za ním znižuje tlak a spôsobuje jeho brzdenie – vzniká brzdná sila, tzv. odpor. Pre podrobnejší výklad viď napríklad [3]. A práve táto brzdná sila je dôležitá pre pasívny spôsob letu. Tvar objektu musí byť taký, aby za ním vznikalo turbulentné prúdenie a teda aby kládol prúdu vzduchu čo najväčší odpor a bol ním čo najlepšie unášaný.
Obr. 1: Obtekanie vzduchu okolo krídla: laminárne (vľavo) a
turbulentné (vpravo)
prúdenie. Prevzaté a upravené z Hyperphysics.
Na Obrázku 2 je vyobrazený jeden plod púpavy, tzv. nažka, v rôznych priblíženiach. Ako ukázali autori citovanej práce, práve tvar chocholca a jednotlivých vláken sú dôležité pre vznik určitého typu turbulentného prúdenia. Pri dostatočne rýchlom prúdení vzduchu okolo pevnej prekážky za ňou vzniká turbulentné prúdenie, ktoré býva spojené s obtekaným objektom. Toto prúdenie síce znižuje tlak za telesom, svojím spätným prúdením ho ale zároveň aj tlačí v smere proti hlavnému prúdu. V prípade nažky púpavy bol na prírodnom objekte po prvýkrát pozorovaný tzv. oddelený vírový prstenec, ktorý bol doteraz známy iba z teoretických úvah a všeobecne bol považovaný za nestabilný. Na obrázkoch 3a, 3b je zobrazené prúdenie vzduchu nad nažkou pre dve rôzne rýchlosti prúdenia. Je vidieť zmienený vírový prstenec, ktorý sa drží oddelený nad stredom chocholca a semeno nadnáša. Dôležitosť pórovitosti chocholca dokumentujú obrázky 3c, 3d, kde je zobrazené prúdenie nad plným a pórovitým diskom obdobných rozmerov. Je vidieť, že zatiaľ čo nad plným diskom je turbulentné prúdenie v kontakte s diskom, nad pórovitým diskom je prítomný stabilný vírový prúd podobne ako nad nažkou. Tento efekt vysvetľujú autori práve štruktúrou chocholca, ktorý má ako celok tvar disku, takže sa za ním očakáva turbulentné prúdenie. Vlákna chocholca však netvoria súvislú vrstvu, ale umožňujú pomalé – a teda laminárne – prúdenie vzduchu, čo spôsobuje žiadané oddelenie vírového prstenca.
Obr. 2: Nažka púpavy v rôznych priblíženiach. Prevzaté a upravené z [1].
Obr. 3: Vírové prstence nad nažkou pre dve rýchlosti prúdenia (a, b), turbulentné
prúdenie nad plným (c) a pórovitým (d)
diskom. Prevzaté a upravené z [1].
Obr. 4: Porovnanie unášania nažiek a plných diskov. Graf ukazuje závislosť činiteľa odporu (C) na Reynoldsovom čísle (Re). Činiteľ odporu je bezrozmerné číslo charakterizujúce tvar a povrch telesa, odporová sila sa následne určí ako F = 1/2 Cρv2S, kde ρ je hustota prostredia, v rýchlosť prúdenia a S plocha objektu vzhľadom k prúdeniu. Reynoldsovo číslo je bezrozmerné kritérium prúdenia charakterizujúce dôležitosť zotrvačných a viskóznych síl, obecne závisí od tvaru obtekaného telesa a rastie lineárne s rýchlosťou – pre malé hodnoty je prúdenie laminárne, pre vysoké hodnoty je turbulentné.
Porovnanie unášania nažky a plného disku ukazuje Obrázok 4, kde je znázornená závislosť odporu prostredia na rýchlosti prúdenia pre nezmenené, zaťažené aj odľahčené semená púpavy a pre plný disk. Ako som už na tomto mieste nedávno písal [2], „štyri miliardy rokov evolúcie v sebe ukrývajú mnoho užitočných a výhodných riešení, na ktoré musia často biológie neznalí inžinieri ťažko prichádzať a míňať grantové prostriedky, pritom by často stačilo iba vystrčiť hlavu z okna alebo sa detailne pozrieť na šalátový lístok.“ V tomto prípade stačilo fúknuť do odkvitnutej púpavy.
Vírový prstenec nad nažkou púpavy [1].
Odkazy
