翅果及具翅種子飛行型態探討

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两骆
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1 投稿類別 : 物理類篇名 : 作者 : 張右暄台北市立第一女子高級中學高一義班指導老師 : 吳雅嵐老師 1

2 壹前言近年來, 關於生物科技發展的呼聲水漲船高, 仿生技術也是熱門話題之一國內針對翅果具翅種子的研究極少, 但搜尋國外網站後, 我發現已有許多國家按照翅果或具翅種子型態, 模仿製成各種不同的玩具, 功用各異因此, 我認為其研究實用性極高, 希望可以增加對這種植物的了解, 探討它們為何會旋轉降落背後的原因, 與其可以應用於日常生活中之處而在本報告中, 將以討論具有果翅 (winged fruits) 或種翅 (winged seeds) 而易被風吹離的槭樹屬 (Acer) ( 槭樹科 Aceraceae) 及桃花心木屬 (Swietenia)( 楝科 Meliaceae) 為主貳正文一翅果及具翅種子 ( 一 ) 翅果臺灣具翅散植體植物共有 39 科 73 屬 159 種, 固有種共有 42 種, 具翅果實分為翅果分離翅果聚合翅果假翅果翅狀胞果葉狀蓇葖果具翅莢果具翅蒴果具翅瘦果與似具翅蒴果等 10 大類 ( 註 1) 而翅果為果實周邊所發育出來的翅狀物, 有增加其表面積的功能, 並有助於散播若從發育的角度來看, 果實是由子房所發育, 翅果 (samara) 是指果實周邊產生了由果皮 (pericarp) 發育而成, 形似翅膀的扁平狀附屬物, 且乾果不開裂本文所要探討的槭樹即為翅果的型態 ( 二 ) 具翅種子具翅種子為種子周邊所發育出來的翅狀物, 有增加其表面積的功能, 並有助於散播由於具翅種子與翅果皆為翅狀物, 常被誤認為翅果, 但其實並非完全相同若從發育的角度來看, 種子是由胚珠所發育, 所以具翅種子便是成熟的胚珠, 內含胚及胚乳, 由種皮 (seed coat) 所包被, 而翅狀物則是生長於種子周邊本文所要探討的桃花心木即為具翅種子的型態 ( 註 2) 二槭樹翅果及桃花心木種子的基本型態分析 ( 一 ) 槭樹翅果的基本型態分析槭樹科植物為雌雄同株 (monoecious), 或雌雄異株 (dioecious), 雄雜性花 (andropolygamous), 抑或是雌雄異株, 單性花 (unisexual) 而其翅果 (samara) 為 2

黃褐色 ( 見圖一 ), 含有 2 個分果 (mericarp) 並於成熟後分離, 每翅和半果 (semicarp) 合約 1.5 至 2.

5) ( 二 ) 桃花心木種子的基本型態分析花為不完全花, 雄花較雌花多, 果實為五瓣縱裂的卵形木質蒴果, 成熟時自基部開裂, 每一果實可包含 35-60 個種子 ( 見圖二 ),

( 三 ) 桃花心木種子型態 ( 註 5) 三槭樹翅果及桃花心木種子的飛行型態探討 ( 一 ) 槭樹翅果及桃花心木種子脫離母株後旋轉緩降之原因翅果及具翅種子飛行時旋轉緩降之原因,

3 黃褐色 ( 見圖一 ), 含有 2 個分果 (mericarp) 並於成熟後分離, 每翅和半果 (semicarp) 合約 1.5 至 2.5 公分長, 兩翅底部夾角約 70 度 ( 註 3), 藉由風力傳播原產地為中國日本及韓國 ( 註 3), 果期約在 9 月左右開始, 為東北季風開始吹拂的季節圖 ( 一 ) 槭樹翅果型態 ( 註 5) ( 二 ) 桃花心木種子的基本型態分析花為不完全花, 雄花較雌花多, 果實為五瓣縱裂的卵形木質蒴果, 成熟時自基部開裂, 每一果實可包含個種子 ( 見圖二 ), 而種子為褐色扁長形並具有長翅 ( 見圖三 ), 並藉由風力傳播 ( 註 6) 原產地為拉丁美洲( 註 7), 果期為 3-4 月, 正值西風吹拂之時圖 ( 二 ) 桃花心木果實開裂後型態 ( 註 6) 圖 ( 三 ) 桃花心木種子型態 ( 註 5) 三槭樹翅果及桃花心木種子的飛行型態探討 ( 一 ) 槭樹翅果及桃花心木種子脫離母株後旋轉緩降之原因翅果及具翅種子飛行時旋轉緩降之原因, 可由三種作用力來加以討論, 分別為重力升力及阻力而種子的六個構造, 便是對其有影響的, 包含 ( 註 8): 1. 種子的重量 : 下壓的力形成重力造成種子轉動並且產生升力 2. 長度方向重心位置寬度方向重心位置 : 若將這兩項合併討論, 則可解釋為, 因翅果及種子的重心皆不在中央 ( 槭樹翅果重心位於種與翅相接 3

位置, 桃花心木種子重心位於種子邊上, 且與翅較靠近 ( 註 5))( 見圖四 ),

槭樹翅果 ( 右 ) 之重心 ( 紅點位置 ) 示意圖 ( 註 5) 圖 ( 五 )

種子與肋痕重量比 : 以 0.3-3.0 重量比例的飛行高度與旋轉速度皆為最佳 4.

上反角 : 依照白努利原理 ( 當流體速度加快時, 物體與流體接觸的界面上的壓力減小,

4 位置, 桃花心木種子重心位於種子邊上, 且與翅較靠近 ( 註 5))( 見圖四 ), 會使翅產生偏轉, 長度方向重心位置會使施力矩大於抗力矩而形成穩定旋轉, 而寬度方向重心位置則會提供較大切風角度, 增加了旋轉推力簡而言之, 此兩項特性皆是幫助種子旋轉得更穩, 更能散播至遠方圖 ( 四 ) 桃花心木種子 ( 左 ) 槭樹翅果 ( 右 ) 之重心 ( 紅點位置 ) 示意圖 ( 註 5) 圖 ( 五 ) 桃花心木種子 ( 左 ) 槭樹翅果 ( 右 ) 之旋轉緩降飛行示意圖 ( 註 5) 3. 種子與肋痕重量比 : 以重量比例的飛行高度與旋轉速度皆為最佳 4. 種子翼面需有適當的展弦比值 : 展弦比在 2 至 7 種子獲得升力較大 5. 上反角 : 依照白努利原理 ( 當流體速度加快時, 物體與流體接觸的界面上的壓力減小, 反之壓力增加 ( 註 9))( 見圖五 ), 上反角的翼面下凹, 可形成水平下壓的力量, 使鉛直下墜的種子恢復為水平狀態, 作用為修正種子的飛行並增加穩定性圖 ( 六 ) 白努利原理範例 ( 飛機機翼 ) ( 註 9) 4

5 ( 二 ) 槭樹翅果及桃花心木種子脫離母株後旋轉緩降時之本身構造造成之影響 1. 翅果及具翅種子質量與散播 (1) 槭樹之未成熟綠色種子因含水量較多, 重量較已成熟黃褐色種子之重量重, 便旋轉緩降狀況較差, 大多飄落時間極短, 而若將未成熟綠色種子烘乾後, 減少其重量, 便可旋轉並飛遠, 增加飄落時間, 由此可證明, 若以相同形狀大小之翅果或具翅種子, 改變飄落時間的關鍵因素在於其質量的變化 ( 註 5) (2) 翅果及具翅種子其質量與飄落時間呈現負相關 (p<0.001), 即質量越大, 飄落所需時間則越久 ( 註 10) (3) 無風狀態時, 種子飄落之水平距離較不受質量影響但於風吹時, 種子飄落之水平距離即受質量影響, 質量越輕, 飄散的越遠 ( 註 10) 2. 翅果及具翅種子長度與散播 (1) 因桃花心木長度大於槭樹, 無法比較討論, 因此, 於此只以桃花心木個別討論 ( 註 5) (2) 無論是否有風吹, 翅果及具翅種子飄落時間與長度無關 ( 註 10) (3) 無論是否有風吹, 翅果及具翅種子飄離距離與長度無關 ( 註 10) 3. 翅果及具翅種子翅寬與散播 (1) 因桃花心木翅寬大於槭樹, 無法比較討論, 因此, 於此只以桃花心木個別討論 ( 註 5) (2) 無論是否有風吹, 翅果及具翅種子飄落時間與翅寬無關或相關性低 ( 註 10) (3) 無論是否有風吹, 翅果及具翅種子飄離距離與長度無關或相關性低 ( 註 10) ( 三 ) 槭樹翅果及桃花心木種子脫離母株後旋轉緩降時之風力造成之影響 1. 種子於高度 1.5 公尺處落下, 若風的強度越強, 則種子飄離距離越遠, 飄落時間越短, 在無風狀態下, 翅果及具翅種子飄落時間顯著高於有風的狀況於 2.0 公尺時作相同實驗, 結果亦相同種子經增重修翅或剪翅處理後, 結果亦相同 ( 註 10) 5

6 2. 在不同的風速下, 槭樹種子因較輕, 剛丟下後即偏離軌道, 因此落點並無離原點太遠而桃花心木則飄離較遠, 但大都落於距原點公分處 ( 見圖六圖七 ( 每個點為一種風速下十個翅果或具翅種子飄落位置的平均值 )) 圖 ( 七 ) 槭樹翅果落下座標 ( 註 5) 圖 ( 八 ) 桃花心木種子落下座標 ( 註 5) 四未來展望希望未來能夠以翅果或具翅種子為造型與重量面積的大小比例為依據, 製作出人造的種子 ( 見圖九 ) 並且實際應用於生活中如地震時, 常因道路中斷而救援受阻, 我希望可以由這樣的一個果實或種子, 仿照其形態, 做出真正的單翼降落傘, 又因其不必用塑膠材質製作, 較目前使用之降落傘更環保, 則可達成學以致用並且可以對這個社會有所貢獻的目標 6

7 圖 ( 九 ) 目前國外以摺紙製作人造種子之方式 ( 註 11) 參結論一槭樹翅果成熟後會將其裂成兩半才能旋轉落下, 而桃花心木一果實包含顆種子, 因此沒有如槭樹般的行為二槭樹與桃花心木的果期皆為原產地風大的時節, 代表著其翅果或有翅種子繁殖方式為風力傳播三翅果或有翅種子在飄離母株時皆會旋轉緩降的原因, 為其本身的構造 ( 重量重心肋痕翼面 ) 所造成重力升力及阻力所導致四翅果及具翅種子其質量與飄落時間呈現負相關, 其質量與飄落距離則為風吹時, 質量越輕, 飄落距離越遠, 無風則質量並不影響五無論是否有風吹, 翅果及具翅種子飄落時間或距離皆與長度無關六無論是否有風吹, 翅果及具翅種子飄落時間或距離皆與翅寬無關或相關性低七風的強度越強, 則種子飄離距離越遠, 飄落時間越短, 而在無風狀態下, 翅果及具翅種子飄落時間顯著高於有風的狀況肆引註資料 1. 陳以臻 (2011) 臺灣具翅散殖體植物分類研究屏東科技大學森林系所學位論文 2. 楊皓量台灣具翅植物之研究中華民國第四十三屆中小學科學展覽會 - 高中組生物科 3. 羅漢強 (2003) 特有樹種之生殖生物學 (I) 臺灣三角楓國立臺灣大學森林環境暨資源學系研究計畫 7

8 4. 槭樹 5. 簡蔚張右暄黃靖嵐 (2013) 幻化乘風 - 翅果及有翅種子飛行機制探討中華民國第四十六屆中小學科學展覽會 - 國中組生物科 6. 馮豐隆張鈞媛 (2007) 大葉桃花心木的自然性質與利用國立中興大學森林學系 7. 大葉桃花心木 5%BF%83%E6%9C%A8 8. 蔡亞婷劉錦鴻王貞懿鍾明叡撐起一片天 --- 大葉桃花心木種子飛行模式的研究中華民國第 48 屆中小學科學展覽作品 - 國中組理化科第二名 9. 白努力原理蘇銘言蘇桂瑢溫怡文劉怡佳 (2004) 風中奇緣 - 桃花心木種子的傳播科學教育月刊 11.Maple seed Flickr 8

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