Як вирощувати дерева на воді більше 10 метрів
Атмосферний тиск становить 10 метрів води (приблизно). Це означає, що неможливо підняти воду під тиском вище 10 метрів під дією всмоктування або повітря (на землю, в нормальних умовах).
Є дерева розміром більше 10 метрів.
Як вода піднімається до їх вершин?
Іншими словами: як теорія згуртованості може бути істинною, якщо вона, здається, суперечить законам фізики?
Атмосферний тиск сприяє збільшенню води, він не протидіє збільшенню. Що протистоїть - це вага води. Коли товщина води досягає 10 метрів, атмосферний тиск вже не може допомогти.
Будь-який механізм адгезії/когезії тут не може допомогти, оскільки він діє лише в тонкому молекулярному шарі. Для подальшої передачі сили дії потрібен тиск, якого недостатньо на 10 метрів.
Якщо у нас був капіляр, достатньо малий, щоб підняти воду до 10 метрів, а потім ми побудували менші капіляри, які, як ми очікуємо, піднімуть воду вище, ми не зможемо. Водяний стовп порветься і не підніметься більше ніж на 10 метрів.
Меніски виступають у ролі маленького поршня і не можуть допомогти воді піднятися більше ніж на 10 метрів.
Загальний розподіл капілярного тиску такий:
$ P_0 $ - атмосферний тиск. Як бачите, трохи нижче менісків тиск знижується на $ 2 \ sigma/R $, де $ R $ - радіус менісків і поверхневий натяг. Весь термін називається "тиск Лапласа". Як бачите, він не може замінити атмосферний тиск, оскільки в такому випадку порушується безперервність води.
І.Є. жоден меніск не може підняти воду більше 10 метрів.
Існування більш високих дерев демонструє, що існують інші значущі механізми, а не зчеплення/зчеплення, не капіляри.
Поточна версія, наскільки я розумію, заснована на твердженні, що вода, розміщена у вигляді тонких капілярів, може поводитися як тверде тіло. Зокрема, він витримує напругу до мінус 15 атмосфер.
Це опір бетону, тому я не думаю без подальших доказів.
Я не думаю, що важко зробити тонку трубочку, покласти в неї воду і перевірити, наскільки вона може піти вгору.
4 відповіді
Застереження: Це не моя сфера досліджень.
По-перше, це не повна відповідь на наше запитання. Гарне пояснення сучасної гіпотези про транспорт води на деревах (теорія зчеплення-натягу Діксона-Джолі, спочатку запропонована в 1894 р.) Можна знайти в дивовижній фізиці води на деревах, а також у Тайрі (1997). Ключові моменти полягають у тому, що стома (пори листяної поверхні) настільки мала, що меніски витримують величезні водяні стовпи, що вода має сильні зв’язуючі сили і що вода транспортується з використанням негативного тиску, який створюється транспірацією. Веб-сторінка, на яку посилається вище, містить чудову візуалізацію того, як безліч продихів і менісків створюють сильний негативний тиск:
По-друге, велика частина поточної дискусії в коментарях (вказівка на те, що це питання може бути недостатньо придатною для Bio-SE?) Обертається навколо правдоподібності теорії згуртованості та напруги, а особливо щодо того, чи може вода підтримувати сильний негативний тиск. Caupin & Herbert (2006) оглядають метастабільність і кавітацію у воді (у фізичному журналі) і містять експериментальні результати щодо негативних тисків у воді. У статті згадується велика кількість експериментів під різними експериментальними установками (я не можу справедливо судити про них). У своєму висновку вони стверджують, що:
Серед незліченного досвіду кавітації лише ті, хто особливо дбає про чистоту води, можуть досягти великого негативного тиску; за допомогою різноманітних методів усі отримують Pcav близько -25 МПа при кімнатній температурі (див. малюнок 3 (b)), що далеко від теоретичного значення (від -120 до -140 МПа). Є один помітний виняток: експерименти з мінеральними включеннями досягають -140 МПа. Велика різниця між цими даними вимагає особливої уваги.
Отже, практично, теоретичні оцінки знаходяться на рівні -130 МПа, а емпіричні результати - на рівні -25 МПа (-250 атмосфер), і вода може чітко досягати високого негативного тиску. Це також означало б, що поточні оцінки набагато вищі за необхідні для роботи теорії когезійного напруження (атмосферний тиск = 0,1 МПа, негативний тиск у товщі води на 50 м
У них також є розділ, який конкретно обговорює дерева:
7.1. Вода в природі
Закон гідростатики вчить нас, що падіння тиску у водному стовпі 10,2 м становить 0,1 МПа. Це підкреслює той факт, що негативний тиск може бути досягнутий у висхідному насінні високих дерев. Насправді додаткові ефекти (в'язкий потік, посуха) роблять тиск у стяжці негативним навіть на менших висотах. Теорія зчеплення на розтяг, вперше запропонована Діксоном і Джоллі [56], пояснює, що стовп стяжки підтримується меніском у порах листя: згідно із законом Лапласа кривизна меніска дозволяє стрибати тиск між зовнішнім тиском повітря та негативним тиском у молоко. Таким чином, дерева містять велику кількість метастабільних рідин. Іноді може відбуватися кавітація, порушуючи колонку рідини і зупиняючи потік (емболія ксилеми). Складна гідравлічна архітектура дерев обмежує шкоду, і існують стратегії заповнення ембріональних каналів ксилеми. Цій темі було присвячено багато речей, які розглядаються в Рекомендаціях. [110 111].
Інша нещодавно опублікована стаття, яка повинна бути актуальною, - "Методи вимірювання вразливості рослин до кавітації: критичний огляд" від Cochard et al. (2013), але я не встиг придивитися до цього. Див. Резюме нижче:
Тут Veritasium на YouTube має пояснення, ідентичне коментарю @ AlanBoyd.
Метастабільна рідина може мати негативний тиск.
Ще одне уточнення: це не моя сфера, і я не компетентний судити про зміст статті, яку ви пишете.
Вище я сказав, що більше робити не буду, але знайшов щось, що заслуговує на поширення в цьому контексті, і це доповнює відповідь від @fileunderwater
Ця стаття включає моделювання, розрахунки вільної енергії та експерименти з цією проблемою. Математика далеко за мене, але вони прийшли до дуже цікавого висновку, а саме: хоча дерево не може стартувати з положення без рідини в ксилемі, а потім заповнюється до вершини, воно може почати дуже мало і рости далі висота, яка може підтримуватися простим капілярним дією, і до 100 м, якщо стовп води ніколи не руйнується.
Папір стоїть за захисним піддоном, але я подаю нижче те, що по суті є розділом для обговорення. Незважаючи на те, що це надає смак роботі, я повинен наголосити, що вона представляє дуже жорстку теоретичну обробку проблеми і варта розгляду.