2009年,一场名为“克劳斯”(Klaus)的强劲风暴袭击了法国西南部,在对毁坏情况进行观察时,研究人员发现了一个有趣的现象:当风速达到或超过94英里/小时(约151千米/小时),几乎所有树木都被折断,不论树木的种类、高度和直径;当风速低于上述值时,大多数树木完好无损。风速的阈值真的能决定树木的毁坏程度吗?
为研究这个现象,法国巴黎高等物理化工学院( École Polytechnique and ESPCI ParisTech)的物理学家克里斯托夫·克拉内(Christophe Clanet)和同事通过控制变量,对不同长度和直径的山毛榉材质木杆进行了折断试验。他们将木杆的一端插入到铁块中的圆孔内(圆孔直径与木棒的相同),然后在木杆另一端施加压力,压力会逐渐升级,直至木杆折断。他们测量出木杆断裂时的弯曲度,并将数据输入到数学模型中,以确定相对应的风速。研究人员发现,结果和2009年时的真实情况完全一致:不论木杆的尺寸如何,当风速达到94英里/小时,木杆就会折断。
最近,这项研究结果已发表在《物理学评论E》(Physical Review E)杂志上。
为何会存在这种规律?其实这是物理与演化共同作用的结果。如果只从数学方法考虑,预测结果应该是,使树木折断的风速会依树干粗细、高度不同而变化,但大自然并不会让树木长得又细又高。现实情况是,矮小的树木比较纤细,高大的树木较为粗壮,而较粗的树木上有着更多“弱点”,比如节疤,树木折断往往是因为压力聚集于此。
综合起来,这些因素(树木的缺陷、高度和粗细)会互相抵消,使得风速成了树木折断的决定因素。因此,尽管矮小的树木产生断裂的受力点也越小,但由于矮小的树木也更细,所以更容易折断;另一方面,较高的树木在粗壮和坚固方面占有优势,不过更多的节疤会让其在坚固度上减分。
这项研究是如此简单明了,让人印象深刻:一条方程式就可以理解树木的力学。不过几位没有参与研究的专家对这项研究表示质疑。例如,美国明尼苏达大学森林生态中心(Center for Forest Ecology)主管李·弗雷利克(Lee Frelich)表示,用无枝干的圆柱给树木建模,忽略了风中飘摇的枝条,而这些枝条也会改变风速和枝干受力之间的关系。换句话说,试验没有反映树木与天气和物理受力之间的真实相互作用。不管怎样,克拉内和同事认为研究结果还是有用的,并计划进一步研究,如果将试验中用到的风速由稳定变成阵风,是否会改变使树木折断的风速阈值。
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