在 2009 年一场名为克劳斯 (Klaus) 的特大风暴袭击法国西南部后,研究人员对这场灾难做出了一个令人好奇的观察:几乎所有被风速达到每小时 94 英里或以上的狂风袭击的树木都折断了,无论它们的树种、高度或直径如何,而大多数被低于该阈值的阵风袭击的树木都完好无损。这个风速阈值真的是破坏的仲裁者吗?
法国巴黎综合理工学院和巴黎高等物理化工学院的物理学家克里斯托夫·克拉内特 (Christophe Clanet) 及其同事着手通过在受控条件下折断不同长度和直径的山毛榉木棒来找出答案。为此,他们将给定木棒的一端插入钢块中直径相同的孔中,并缓慢地向另一端施加力,使木棒弯曲。然后,他们测量了木棒破裂时的临界曲率,并将这些值代入数学断裂公式,以确定相应的风速。他们的发现与 2009 年的真实情况相符:计算出的折断木棒的风速(无论尺寸大小)约为每小时 94 英里。该研究最近发表在《物理评论 E》杂志上。
为什么会如此一致?结果归结为物理学和进化的结合。虽然仅凭数学预测树木断裂所需的风速应取决于树干直径和树高,但自然界不会造出既细又高的树木。相反,矮树细,高树粗。更重要的是,较粗的树木有较大的缺陷,例如树结,当树木弯曲时,应力会集中在这些缺陷处。
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这些特征(缺陷、长度和直径)相互抵消,使得风速成为折断的主要决定因素。因此,虽然矮树的裂缝应力点较小,但它较细,更容易裂开。另一方面,高树具有宽度和刚度,但较大的内部缺陷会破坏其坚固性。
这一发现因其简洁性而引人注目:一个方程即可理解树木力学。然而,一些外部专家对这种简洁性表示担忧。例如,明尼苏达大学森林生态中心主任李·弗雷利希 (Lee Frelich) 表示,将树木建模为无分支圆柱体忽略了树枝在风中的流线型,这反过来又改变了树干上的力和风速之间的关系。换句话说,这种设置并未反映现实生活中生物学、天气和物理学的复杂相互作用。尽管如此,克拉内特及其同事确实认为这些结果具有实用性,并计划研究阵风(与本项目假设的稳定风速相反)是否会改变断裂点。