Как да отглеждаме дървета вода повече от 10 метра
Атмосферното налягане е 10 метра вода (приблизително). Това означава, че е невъзможно да се повиши водата с налягане над 10 метра с действието на засмукване или въздух (на земята, при нормални условия).
Има дървета, по-големи от 10 метра.
Как водата се издига до върховете им?
С други думи: как може теорията за сближаването да е вярна, ако изглежда противоречи на законите на физиката?
Атмосферното налягане помага за увеличаване на водата, не се противопоставя на увеличаването. Това, което се съпротивлява, е теглото на водата. Когато водният стълб е висок 10 метра, атмосферното налягане вече не може да помогне.
Всеки механизъм на адхезия/кохезия не може да помогне тук, тъй като той действа само в тънкия молекулен слой. За по-нататъшно прехвърляне на силата на действие се изисква налягане, което е недостатъчно на 10 метра.
Ако имахме достатъчно малка капиляра, за да вдигнем водата до 10 метра и след това изградим по-малки капиляри, които очакваме да вдигнат водата горе, ще се провалим. Водният стълб ще се счупи и няма да се издигне повече от 10 метра.
Менискусите действат като малко бутало и не могат да помогнат на водата да се издига повече от 10 метра.
Общото разпределение на капилярното налягане е както следва:
$ P_0 $ е атмосферното налягане. Както можете да видите, точно под менискусите, налягането се намалява с $ 2 \ sigma/R $, където $ R $ е радиусът на менискусите и повърхностното напрежение. Целият термин се нарича "налягане на Лаплас". Както можете да видите, той не може да замести атмосферното налягане, тъй като непрекъснатостта на водата в този случай ще бъде нарушена.
I.E. нито един менискус не може да вдига вода по-голяма от 10 метра.
Съществуването на по-високи дървета показва, че съществуват и други значими механизми, а не сцепление/сцепление, не капиляри.
Настоящата версия, както я разбирам, се основава на твърдение, че водата, ако е поставена под формата на тънки капиляри, може да се държи като твърдо тяло. По-специално, той може да издържи на напрежение до минус 15 атмосфери.
Това е съпротива от бетон, така че не мисля без допълнителни доказателства.
Не мисля, че е трудно да се направи тънка тръба, да се постави вода в нея и да се провери колко голяма може да се покачи.
4 отговора
Отказ от отговорност: Това не е моята област на изследване.
Първо, това не е пълен отговор на нашия въпрос. Хубаво обяснение на настоящата хипотеза за транспорта на вода при дърветата (Теория на кохезия-напрежение на Диксън-Джоли, първоначално предложена през 1894 г.) може да бъде намерено в The Amazing Physics of Water in Treves, но също и в Tyree (1997). Ключовите моменти са, че стомата (порите на повърхността на листата) е толкова малка, че менискусите могат да издържат на огромни водни колони, че водата има силни кохезионни сили и че водата се транспортира, използвайки отрицателното налягане, създадено от транспирацията. Уеб страницата, свързана по-горе, съдържа красива визуализация на това как множество устици и менискуси създават силен отрицателен натиск:
Второ, голяма част от настоящата дискусия в коментарите (индикация, че въпросът може да не е подходящ за Bio-SE?) Се върти около правдоподобността на теорията за кохезионното напрежение и по-конкретно за това дали водата може да поддържа силен отрицателен натиск. Caupin & Herbert (2006) правят преглед на метастабилността и кавитацията във вода (във физическо списание) и съдържа експериментални резултати за отрицателното налягане във водата. Хартията се позовава на голям брой експерименти при различни експериментални настройки (не мога справедливо да преценя тези). В заключението си те заявяват, че:
Сред безбройните кавитационни преживявания само тези, които се грижат специално за чистотата на водата, могат да достигнат високо отрицателно налягане; с разнообразни техники, всички получават Pcav около -25 MPa при стайна температура (виж Фигура 3 (b)), което е далеч от теоретичната стойност (от -120 до -140 MPa). Има едно забележително изключение: експериментите с минерални включвания достигат -140 МРа. Голямата разлика между тези данни изисква специално внимание.
Така че на практика теоретичните оценки са при -130MPa, а емпиричните резултати при -25MPa (-250 атмосфери) и водата може ясно да достигне високо отрицателно налягане. Това също би означавало, че настоящите оценки са много по-високи от това, което е необходимо за работата на теорията на кохезионния стрес (атмосферно налягане = 0,1MPa, отрицателно налягане във водния стълб на 50 m
Те също имат раздел, който специално обсъжда дърветата:
7.1. Водата в природата
Законът за хидростатиката ни учи, че спадът на налягането във воден стълб от 10,2 m е 0,1 MPa. Това подчертава факта, че може да се достигне отрицателно налягане във възходящото семе на високи дървета. Всъщност допълнителните ефекти (вискозен поток, суша) правят налягането на замазката отрицателно дори при по-ниска надморска височина. Теорията на кохезионното сцепление, предложена за пръв път от Диксън и Джоли [56], обяснява, че колоната на замазката се поддържа от менискуса в порите на листата: според закона на Лаплас кривината на менискуса позволява скок на налягането между външното въздушно налягане и отрицателното налягане в мляко. По този начин дърветата съдържат големи количества метастабилни течности. Понякога може да възникне кавитация, която нарушава колоната на течността и спира потока (ксилемна емболия). Сложната хидравлична архитектура на дърветата ограничава щетите и съществуват стратегии за запълване на ембрионалните канали на ксилемата. Много неща са посветени на тази тема и са разгледани в препоръките. [110 111].
Друга наскоро публикувана статия, която трябва да бъде от значение, е „Методи за измерване на уязвимостта на растенията към кавитация: критичен преглед“ от Cochard et al. (2013), но нямах време да разгледам отблизо това. Вижте резюмето по-долу:
Тук Veritasium в YouTube има обяснение, което е идентично с коментара на @ AlanBoyd.
Метастабилната течност може да има отрицателно налягане.
Друго уточнение: това не е моята област и не съм компетентен да преценявам съдържанието на доклада, който пишете.
По-горе казах, че няма да направя нов принос, но намерих нещо, което заслужава да бъде споделено в този контекст и което допълва отговора от @fileunderwater
Тази статия включва моделиране, изчисления на свободна енергия и експерименти с този проблем. Математиката е далеч отвъд мен, но те стигат до много интересно заключение, а именно, че макар едно дърво да не може да започне от позиция без течност в ксилемата и след това да се запълни до върха, то може да започне много малко и да расте отвъд височина, която може да се поддържа с просто капилярно действие и до 100 m, стига водната колона никога да не се счупи.
Хартията е зад тава за предпазител, но аз възпроизвеждам по-долу това, което по същество е разделът за дискусии. Въпреки че това придава вкус на работата, трябва да подчертая, че тя представлява много сурова теоретична обработка на проблема и си струва да се обмисли.