Фізики визначили та експериментально перевірили оптимальну форму лопатей плодів- «вертольотиків»

Норвезькі фізики розрахували оптимальну форму плодів- «вертольотиків», які під час падіння швидко обертаються навколо вертикальної осі і використовуються багатьма рослинами для поширення насіння. Виявилося, що довжина крильців повинна бути приблизно вдвічі більше радіусу їх кривизни - саме такі плоди найдовше знаходяться в повітрі під час падіння і можуть полетіти на максимальну відстань. Теоретичні оцінки вчені підтвердили за допомогою експерименту, дослідивши штучне насіння, виготовлене за допомогою 3D-друку. Отримані результати можуть використовуватися як для екологічних досліджень, так і при розробці невеликих летальних апаратів, пишуть вчені в.

Щоб збільшити ареал проживання або знайти більш сприятливі умови для життя, багато рослин постачають свої плоди різними відростками - всілякими гачками, крильцями або зубчиками, - які сприяють перенесенню насіння на великі відстані. Правильно підібравши форму цих утворень, можна підвищити ймовірність зачепитися за якусь тварину або поліпшити аеро- або гідродинамічні властивості для перенесення за допомогою вітру або водних потоків. Деякі рослини навіть розробили в процесі еволюції схему різкого розкриття дозрілих плодів, яка дозволяє «вистрілювати» дисковидним насінням на кілька метрів, закручуючи їх з частотою до півтори тисячі обертів на секунду.

Більшість рослин, чиї насіння повинні поширюватися повітрям, обходяться способами простіше - плід з насінням вони забезпечують відростками, схожими на крильця або лопаті, які перетворюють його на аналог планера, парашута або вертольота. Залежно від форми і кількості цих лопатей, плід може просто планувати в повітряному потоці або обертатися з певною швидкістю. Дивно, що політ більшості з цих плодів- «парашутиків» і плодів- «вертольотиків» постійно відбувається перед очима, проте для багатьох з них зв'язок між їх формою і польотними характеристиками досі залишається мало вивченим.

Група норвезьких фізиків з Університету Осло під керівництвом Адреаса Карлсона (Andreas Carlson) вирішила частково заповнити цю прогалину і вивчила поведінку плодів- «вертольотиків», які мають кілька загнутих лопатей і під час свого падіння швидко обертаються навколо вертикальної осі. Такі плоди зустрічаються у досить великої кількості дерев із сімейств диптерокарпових (), маренових () або гречаних (). Кількість крильців на цих плодах варіюється від двох до п'яти, при цьому вони не плоскі, а викривлені таким чином, що біля основи вони звернені до вертикальної осі плоду, а ближче до краю - повернуті майже горизонтально.

Наявність декількох таких крильців біля плоду призводить до того, що відразу після відриву від дерева (як тільки починається рух вниз) він сам починає розкручуватися навколо вертикальної осі. За рахунок цього обертання виникає підйомна сила, яка частково компенсує силу тяжкості, в результаті чого час падіння сильно зростає. Свій внесок робить і сила опору повітря. Чим довше плід з насінням падає вниз, тим більша ймовірність, що його підхопить вітер і віднесе подалі від рідного дерева. Таким чином, з точки зору збільшення відстані перенесення оптимальна форма крильців і маса плоду повинні відповідати найдовшому польоту. Щоб знайти ці оптимальні параметри, фізики пов'язали час падіння плоду з довжиною і кривизною його лопатей.

Для цього спочатку вчені побудували теоретичну модель, в якій основним параметром, що описує форму «вертольотика», стала величина KL - твір кривизни лопаті і її довжини. У природі рух цих плодів відбувається з досить великою швидкістю, - в результаті число Рейнольдса становить від тисячі до 10 тисяч, і при русі домінують інерційні сили. Для такого режиму вченим вдалося зробити оцінку для найбільш оптимальної форми лопатей, і з'ясувалося, що найдовше в повітрі повинні знаходитися плоди, для яких KL приймає значення близько 2 (тобто довжина одного крильця більше радіусу його кривизни приблизно вдвічі). Це відповідає вигину приблизно в 100 градусів. При такому співвідношенні сума підйомної сили і сили опору стає максимальною, швидкість падіння падає, а час падіння - навпаки, зростає.

Щоб перевірити теоретичні оцінки, вчені також провели експеримент. Для цього фізики виготовили за допомогою 3D-друку моделі дволопастних плодів з різною кривизною і стежили за їх обертанням у водному резервуарі. Результати експериментів підтвердили правильність теоретичних висновків (відмінність склала не більше 10 відсотків), а дослідження 27 видів справжніх плодів- «вертольотиків» азіатських, африкансикх і американських дерев показало, що саме така форма крильців дійсно найчастіше зустрічається в природі.

За словами авторів роботи, отримані ними результати можуть використовуватися як для екологічних досліджень (пов'язаних, зокрема, з моделюванням поширення насіння), так і в прикладних областях, наприклад при розробці невеликих летальних апаратів.

Крім вітру або води, в перенесенні насіння активну участь беруть і тварини. Для залучення птахів-розповсюджувачів насіння фруктові дерева використовують яскравий колір або незвичайну форму плоду, а наприклад, лемури реагують на запах зрілих фруктів. Цікаво, що деякі мурахи, які переносять насіння невеликих рослин, іноді самі їх і вирощують з цього насіння і використовують потім в якості житла або додаткового джерела їжі.