Спрятанные в водной бездне, растения замедляют поток, предотвращают эрозию и важны для переноса наносов, для качества воды и в качестве среды обитания для растений и животных. Для ученых, которые хотят лучше понять эти реки и экосистемы, а также для землеустроителей, которые хотят обеспечить здоровье этой окружающей среды, жизненно важно знать, как поток воды физически влияет на растения.
Например, слишком сильное течение может разрушить, выкорчевать и убить растительность. Знание действующих сил может помочь землеустроителям определить, как отвести поток и защитить растения. Измерения сил сопротивления могут также использоваться для компьютерного моделирования, которое моделирует механику жидкости и распространение важных химических и питательных веществ вокруг растений.
Однако в предыдущих исследованиях эти силы анализировались только на одном растении или листе, и было обнаружено, что они деформируются и изгибаются, чтобы уменьшить эти силы. Но исследования игнорируют влияние соседних растений на водные колонии.«Силы были известны для одного-единственного растения, но не было очевидно, что могут быть сильные взаимодействия между отдельными растениями, когда они помещены в группу под водой», — сказала Дельфин Допплер, физик из Лионского университета во Франции.Теперь Доплер и ее коллеги впервые изучили силу сопротивления, испытываемую отдельным растением в своей колонии.
В частности, они изучили, как сила зависит от расстояния между растениями и как деформация растений зависит от скорости потока и размера растений. Они описывают свой анализ в «Физике жидкостей» на этой неделе от AIP Publishing.В своих экспериментах исследователи моделировали растения, используя полосы гибкого пластика шириной 10, 15 и 20 миллиметров и высотой 60 миллиметров.
Полосы были выровнены и помещены в наклонный резервуар для воды, обеспечивающий контролируемый поток вниз по склону. Используя камеры и зная угол наклона резервуара, исследователи могли определить, как вода воздействует на смоделированные растения.
Они обнаружили, что даже в окружении других полоса изгибается так же, как если бы она была одна. С другой стороны, сила сопротивления уменьшается по мере того, как исследователи помещают полоски ближе друг к другу. Соседние полоски частично блокируют поток, уменьшая силу друг друга. Поэтому отдельные растения в плотном водном покрове не должны деформироваться так сильно, как одно растение, чтобы избежать серьезных повреждений от сильных течений.
Однако, когда расстояние между полосками примерно в четыре раза больше их ширины, этот экранирующий эффект исчезает. Точно так же коэффициент лобового сопротивления — число, которое количественно определяет силу сопротивления — линейно увеличивается по мере того, как полосы отдаляются друг от друга. Коэффициент увеличивается до тех пор, пока расстояние снова не станет примерно в четыре раза больше ширины полосы.Новый анализ может помочь инженерам, разрабатывающим устройства, преобразующие энергию движущихся жидкостей в электричество.
В этих устройствах используется такой же гибкий пластик, который имитирует покачивание растений.Следующим шагом, по словам Доплера, будет изучение волновых движений между кончиками растений и поверхностью воды.
Поток в этом регионе играет важную роль в обмене химикатов и питательных веществ между растениями и водой.Безусловно, экспериментальная установка представляет собой идеализированный сценарий, поскольку большинство растений в реках не представляют собой прямоугольные полосы, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. Тем не менее, по словам Доплера, общие результаты — уменьшение изгиба и влияние плотности водных колоний на силу сопротивления — должны сохраняться в более реалистичных случаях и обеспечивать хорошую отправную точку для более реалистичного моделирования того, что происходит в глубинах реки. .