כוח הריחוף הפלומתי
של שן הארי

חוקרים מאוניברסיטת אדינבורו גילו לאחרונה את התשובה לשאלה עתיקת יומין: איך מתעופפים זרעי "שערות סבא", כמו אלה של צמח השינן (שן הארי), למרחקים כה ארוכים. התברר שסיבי הזרעים משתמשים לתעופה במנגנון פיזיקלי ייחודי, שאומנם היה ידוע בתיאוריה אך עד כה לא נצפה בעולם האמיתי.

השינן נחשב בדרך כלל לעשב שוטה, שיש לסלק כדי שלא ייחבל בגדילתם של צמחים אחרים. עם זאת, מיוחסות לו גם סגולות רפואיות מסוימות, שלא נחקרו רבות באופן מדעי, ויש לו גם שימושים קולינריים בזכות עליו העשירים בוויטמינים ומינרלים ופרחיו המשמשים לייצור דבש ויין.

בדומה לקרוב משפחתו הסביון, גם לשינן יש ראש צהוב ופורח שבשלב מתקדם של חיי הצמח הופך לכדור שערות סיבי המכונה "שערות סבא". הכדור מורכב מזרעים, ואלה מסוגלים לעוף למרחקים מרשימים הודות לשיטה שעד כה לא הייתה ברורה די הצורך. מחקר שנערך ב-2003 באוניברסיטת רגנסבורג בגרמניה הראה שאף על פי שרוב הזרעים נוחתים במרחק של עד עשרה מטר מהגבעול, אחד מ-7,000 (0.014 אחוזים) יצלח יותר מקילומטר!

בניגוד לזרעים מעופפים אחרים, כמו אלה של עץ האדר (מייפל), זרעי השינן אינם בצורה דמוית כנף. במקום זה הם כוללים מטרייה בעלת סיבים פלומתיים שנקראת ציצית, שיוצרים יחד כוח גרר – אחד משני הכוחות המרכזיים הפועלים על גוף הנע בתוך גז או נוזל (השני הוא כוח העילוי). הגרר הוא למעשה ההתנגדות של הנוזל או הגז לתנועת הגוף בתוכו, והוא פועל על הגוף בכיוון ההפוך לתנועתו באותו נוזל או גז.

כדי לחוש בעצמכם מהו כוח הגרר, הוציאו קצה היד שלכם מחלון של מכונית נוסעת (אך לא כשאתם עצמכם נוהגים, ושימו לב שאין באזור עמוד או חפץ אחר שעלול לפגוע בכם) והרגישו את הכוח המופעל עליה. זהו הגרר. תבחינו בוודאי שהכוח מתגבר ככל שהמכונית נוסעת מהר יותר, שכן כוח הגרר תלוי בין השאר במהירות התנועה.

לצורת הגוף יש השפעה משמעותית על כוח הגרר שפועל עליו. זה בדיוק הטריק שבו משתמש זרע שן הארי כדי להגדיל אותו, וכך לגבור על כוח הכבידה המושך אותו אל הקרקע ולהמשיך לרחף.

ה"מטריה" הפלומתית יוצרת כוח גרר. זרעי שן ארי מתפזרים ברוח | Shutterstock

לעוף במסך עשן

כדי לגלות את הטריק הזה, החוקרים השתמשו בתעלת אוויר קטנה שבתוכה הניחו זרעי שינן, וצילמו את זרמי האוויר סביבם. הצילום התבצע בשיטה שנקראת PIV (שחזור מהירות מתמונות של חלקיקים שעוקבים אחרי זרימה - Particle image velocimetry). בשיטה זו החוקרים מפזרים באוויר חלקיקים,כמו עשן, שמאפשרים "לראות" את זרמי האוויר, מאירים אותם בלייזר ועוקבים אחריהם באמצעות מצלמה מהירה. לאחר מכן, עיבוד ממוחשב מאפשר לחשב את מהירויות זרמי האוויר סביב הזרע.

התברר שהסיבים הקטנים בראש הזרע גורמים לאוויר הנושב דרכם להתרכז מעליו בבועה של אוויר מסתחרר. הבועה הזאת יוצרת אזור של לחץ נמוך יחסית לאוויר שמסביב לה בדיוק מעל הזרע, וכך מגדילה את כוח הגרר הפועל עליו. כך הזרע נופל לאט יותר, מרחף זמן רב יותר ונישא ברוח הרחק מפרח האם שלו.

בועות כאלה, שנקראות טבעות מערבולת (Vortex ring) היו ידועות בעבר, אך בכל שאר המקרים הידועים הן נשארות צמודות לגוף המייצר אותן או נפרדות ומתפזרות באוויר. החוקרים קראו לטבעות החדשות שגילו "טבעות מערבולת מופרדות", שכן הן אינן צמודות לגוף שיוצר אותן (הזרע) אך גם לא מתפזרות, אלא נשארות לרחף מעל הזרע.

הטבעות הללו אומנם היו מוכרות באופן תיאורטי, אך עד כה לא התגלו בטבע ולא יוצרו במעבדה. החוקרים גילו שהמבנה המיוחד של הסיבים הוא זה שמייצב את הטבעת מעל הזרע. בניסוי נוסף הצליחו החוקרים לשחזר את נפילת זרע השינן באמצעות דיסקת סיליקון קטנה המדמה את מבנה הסיבים שלו.

אפשר להשוות את צניחת זרע השינן למצנח רחיפה, שעובד גם הוא על הגדלת כוח הגרר. ההבדל הוא שמצנח עובד על ידי הגדלת שטח הפנים שבו פוגע האוויר וכך מגדיל את כוח הגרר הפועל עליו, בעוד סיבי השינן גורמים לאוויר הזורם דרכם ליצור טבעת מערבולת מעליו להשגת אותה תוצאה.