@ 2016.05.05 , 10:22

无论高矮大小,所有树都会在时速约94英里的风中折腰?

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在2009年一场超强风暴克劳斯(Klaus)袭击了法国西南部之后,研究人员好奇地观察了风暴造成的破坏:几乎所有惨遭不低于时速94英里(151公里)的疾风蹂躏的树木都折断了,不论树种、高度或直径,而大多数经受低于此阈值的阵风的树则保持完好。这个阈值真的能裁决会否破坏?

法国巴黎综合理工学院和巴黎工业物理化学学校的物理学家Christophe Clanet及其同事开始着手,在受控条件下折断各种长度和直径的山毛榉原木以寻找答案。为此他们将一根给定的原木一端插入铁块上相同直径的孔洞中,然后在另一端缓慢加载使原木弯曲。接着测量原木断裂的临界曲率,将这些值代入数学化的折断公式来确定相应的风速。他们的发现符合2009年的现实情况:计算出的折断原木的风速——无论尺寸大小——约为时速94英里。这项研究最近发表在期刊Physical Review E上。

为什么如此吻合?这其实是物理学和进化论结合的结果。尽管单凭数学会预测出树木折断需要的风速应取决于树干直径和树高,但大自然可不会使树全长得又细又高。此外更粗的树有更大的缺陷,比如节瘤,当树弯曲时这些地方会发生应力集中。

所有这些特征——裂纹、长度和直径——互相抵消,使得风速成为了折断的主要决定因素。所以尽管矮树的对断裂有贡献的应力值更小,但它也更细并更容易裂开。另一方面,高大的树木有着宽度和刚度来抵抗断裂,但更大的内在裂纹削弱了它的坚韧性。

这个发现令人瞩目的是它的简单性:用单个方程理解树的力学。然而多位该领域外的专家对其质量表示担忧。举例来说,明尼苏达大学森林生态中心的主任Lee Frelich,称将树建模为无树枝的圆柱体忽略了树枝在风中的流线,这些流线会反过来改变作用在主干的力和风速间的关系。换句话说,这一设定没有反映出真实生物、天气和物理间的复杂交互作用。尽管如此,Clanet和他的同事认为该结果还是有用的,并打算研究与本项目中假定的稳定风速相反的强烈阵风是否会改变断裂点。

本文译自 scientificamerican,由译者 卤鸡爪子 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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