Ako stromy pestujú vodu väčšiu ako 10 metrov
Atmosférický tlak je približne 10 metrov vody. To znamená, že je nemožné zdvihnúť vodu s tlakom vyšším ako 10 metrov pôsobením sania alebo vzduchu (na zemi, za normálnych podmienok).
Sú tu stromy väčšie ako 10 metrov.
Ako voda stúpa na ich vrcholy?
Inými slovami: ako môže byť teória súdržnosti pravdivá, ak sa zdá, že je v rozpore s fyzikálnymi zákonmi?
Atmosférický tlak pomáha zvyšovať vodu, nebráni sa zvýšeniu. Čo odoláva, je hmotnosť vody. Keď je vodný stĺpec vysoký 10 metrov, atmosférický tlak už nemôže pomôcť.
Tu nemôže pomôcť žiadny mechanizmus adhézie/súdržnosti, pretože pôsobí iba v tenkej molekulárnej vrstve. Na ďalší prenos sily pôsobenia je potrebný tlak, ktorý je na 10 metrov nedostatočný.
Ak by sme mali dostatočne malú kapiláru na to, aby sme zvýšili vodu na 10 metrov, a potom by sme vytvorili menšie kapiláry, pri ktorých očakávame, že vodu zdvihnú vyššie, zlyháme. Vodný stĺpec sa zlomí a nebude stúpať viac ako 10 metrov.
Meniskus funguje ako malý piest a nemôže pomôcť stúpajúcej vode väčšej ako 10 metrov.
Spoločná distribúcia kapilárneho tlaku je nasledovná:
$ P_0 $ je atmosférický tlak. Ako vidíte, tesne pod meniskami je tlak znížený o $ 2 \ sigma/R $, kde $ R $ je polomer meniskov a povrchové napätie. Celý termín sa nazýva „Laplaceov tlak“. Ako vidíte, nemôže nahradiť atmosférický tlak, pretože v takom prípade dôjde k prerušeniu kontinuity vody.
I.E. žiadny meniskus nedokáže zdvihnúť vodu väčšiu ako 10 metrov.
Existencia vyšších stromov dokazuje, že existujú aj iné významné mechanizmy, nie adhézia/kohézia, nie kapiláry.
Aktuálna verzia, ako to chápem, je založená na tvrdení, že voda, ak je umiestnená vo forme tenkých kapilár, sa môže správať ako pevné telo. Najmä vydrží napätie až do mínus 15 atmosfér.
Toto je odpor betónu, takze nemyslim bez dalsich dokazov.
Nemyslím si, že je ťažké vyrobiť tenkú trubičku, vložiť do nej vodu a skontrolovať, aká veľká môže ísť hore.
4 odpovede
Zrieknutie sa zodpovednosti: Toto nie je moja oblasť výskumu.
Po prvé, nejde o úplnú odpoveď na našu otázku. Pekné vysvetlenie súčasnej hypotézy transportu vody v stromoch (Dixon-Jolyova teória súdržno-tenzného napätia, pôvodne navrhovaná v roku 1894) možno nájsť v The Amazing Physics of Water in Trees, ale aj v Tyree (1997). Kľúčové body spočívajú v tom, že stómia (póry povrchu listov) sú také malé, že menisky odolávajú obrovským vodným stĺpcom, že voda má silné súdržné sily a že voda sa prenáša podtlakom, ktorý sa vytvára pri transpirácii. Vyššie uvedená webová stránka obsahuje krásnu vizualizáciu toho, ako zástupy priedušiek a meniskov vytvárajú silné negatívne tlaky:
Po druhé, veľká časť súčasnej diskusie v komentároch (náznak, že táto otázka by pre Bio-SE mohla byť nedostatočne vhodná) sa točí okolo pravdepodobnosti teórie kohézneho napätia a konkrétne nad tým, či môže voda vydržať silný negatívny tlak. Caupin a Herbert (2006) skúmajú metastabilitu a kavitáciu vo vode (vo fyzikálnom časopise) a obsahujú experimentálne výsledky týkajúce sa negatívnych tlakov vo vode. Príspevok odkazuje na veľké množstvo experimentov v rámci rôznych experimentálnych nastavení (nemôžem ich spravodlivo posúdiť). Na záver uvádzajú, že:
Medzi nespočetnými zážitkami z kavitácie môže iba ten, kto sa osobitne stará o čistotu vody, dosiahnuť vysoký negatívny tlak; rôznymi technikami všetci získavajú Pcav okolo -25 MPa pri izbovej teplote (pozri obrázok 3 (b)), čo je ďaleko od teoretickej hodnoty (od -120 do -140 MPa). Existuje jedna pozoruhodná výnimka: experimenty s minerálnymi inklúziami dosahujú -140 MPa. Veľký rozdiel medzi týmito údajmi si vyžaduje osobitnú pozornosť.
Prakticky sú teda teoretické odhady na úrovni -130 MPa a empirické výsledky na úrovni -25 MPa (-250 atmosfér) a voda môže jednoznačne dosahovať vysoké negatívne tlaky. To by tiež znamenalo, že súčasné odhady sú oveľa vyššie, ako sú hodnoty potrebné na fungovanie teórie kohézneho napätia (atmosférický tlak = 0,1 MPa, podtlak vo vodnom stĺpci vo vzdialenosti 50 m).
Majú tiež sekciu, ktorá konkrétne pojednáva o stromoch:
7.1. Voda v prírode
Zákon hydrostatiky nás učí, že pokles tlaku vo vodnom stĺpci 10,2 m je 0,1 MPa. To zdôrazňuje skutočnosť, že vo vzostupnom semene vysokých stromov je možné dosiahnuť negatívny tlak. Dodatočné účinky (viskózny tok, sucho) v skutočnosti spôsobujú, že tlak v poteru je negatívny aj v nižších nadmorských výškach. Teória súdržnosti v ťahu, ktorú prvýkrát navrhli Dixon a Jolly [56], vysvetľuje, že stĺpec poteru je podporovaný meniskom v póroch listov: podľa Laplaceovho zákona zakrivenie menisku umožňuje tlakový skok medzi tlakom vonkajšieho vzduchu a podtlakom v mlieko. Stromy tak obsahujú veľké množstvo metastabilných tekutín. Niekedy môže dôjsť k kavitácii, narušeniu tekutinového stĺpca a zastaveniu prietoku (xylémová embólia). Komplexná hydraulická architektúra stromov obmedzuje škody a existujú stratégie na vyplnenie embryonálnych kanálov xylému. Veľa vecí bolo venovaných tejto téme a sú preskúmané v odporúčaniach. [110 111].
Ďalším nedávno publikovaným článkom, ktorý by mal byť relevantný, je „Metódy merania citlivosti rastlín na kavitáciu: kritický prehľad“, autor: Cochard et al. (2013), ale nemal som čas sa na to bližšie pozrieť. Pozrite si zhrnutie nižšie:
Veritasium na YouTube má tu vysvetlenie, ktoré je totožné s komentárom @ AlanBoyd.
Meta-stabilná kvapalina môže mať podtlak.
Ďalšie vysvetlenie: toto nie je môj odbor a nie som kompetentný hodnotiť obsah príspevku, ktorý píšete.
Vyššie som povedal, že už nebudem prispievať, ale našiel som niečo, čo si v tejto súvislosti zaslúži zdieľanie a čo završuje odpoveď od @fileunderwater
Tento príspevok obsahuje modelovanie, výpočty voľnej energie a experimenty s týmto problémom. Matematika je ďaleko za mnou, ale dospeli k veľmi zaujímavému záveru, a to, že hoci strom nemôže vychádzať z polohy bez kvapaliny v xyleme a potom sa plní až po vrchol, môže začínať veľmi pomaly a vyrastať ďalej výška, ktorú je možné udržiavať jednoduchým kapilárnym pôsobením, a to až do 100 m, pokiaľ sa vodný stĺpec nikdy nerozbije.
Príspevok je za ochranným podnosom, ale nižšie reprodukujem to, čo je v podstate diskusnou časťou. Aj keď to dáva príchuť práci, musím zdôrazniť, že predstavuje veľmi pochmúrne teoretické riešenie problému a stojí za zváženie.