Как корни деревьев пьют воду

Как «пьет воду» дерево

Все знают, что деревья способны всасывать влагу из почвы, но какова же физика процесса — как жидкость поднимается к самой верхушке дерева, которое может насчитывать в высоту десятки метров? Понять и подтвердить этот занимательный факт совсем несложно, и вы сможете сделать это в домашних условиях.

Для демонстрации вам понадобится:

• спичка или зубочистка;
• небольшая емкость (ложка или блюдце);
• зеленый бриллиантовый (говоря проще — зеленка).

Ход опыта:

1. аккуратно застилаем поверхность стола (потому что зеленый бриллиантовый — очень мощный краситель, и только тщательная подготовка к эксперименту защитит стол от трудно выводимых пятен);
2. капаем немного зелёнки в емкость;
3. опускаем конец спички или зубочистки в зеленку, держа деревянное изделие вертикально;
4. наблюдаем, как зелёнка медленно ползет вверх, окрашивая деревянную плоть.

Объяснение:

Мы увидели именно то, что и происходит в природе: даже мёртвая древесина может «поднимать» жидкость без насосов или иных технических хитростей. Способность эта объясняется наличием в стволе дерева образованных клетками древесины тончайших трубочек-каналов (капилляров), по которым вода поднимается за счет капиллярных сил, которые преодолевают атмосферное давление.

Аналогичные эксперименты:

Эти же законы физики работают, когда в поликлинике берут кровь из пальца. Многие дети боятся этой процедуры — и совершенно напрасно, ведь это отличная возможность увидеть работу капиллярных сил в действии: медсестра ждет, когда на проколотом скарификатором пальце выступит капелька крови, затем подносит к ней тоненькую стеклянную трубочку — и красная жидкость быстро поднимается по прозрачной трубке, словно всасываясь. Точно так же «пьет» воду дерево!

А если вы хотите увидеть более серьёзные физические и химические опыты — добро пожаловать в музей занимательной науки ЛабиринтУм: в хорошо оборудованных лабораториях и под руководством научных сотрудников можно повторить многие явления природы!

Вам понравился мой пост?
поделитесь им с друзьями.

Источник

1 Как дерево пьет?

Как дерево пьет?

Для опыта нам потребуются: старая газета, чайная ложка, блюдечко, спичка или деревянная зубочистка, зеленка.

Задумывались ли вы над простым вопросом: каким это таким загадочным образом вода из земли попадает на самый верх дерева? Ведь деревья есть под сто метров высоты. Если у тридцатиметровой березы в весеннюю пору срезать веточку на самом верху, из нее закапает сок! Между тем внутри березы нет ни движущихся частей, ни насосов, ни даже легких, которые втягивали бы в себя воздух и поднимали воду. Да и они бы не справились – мы же знаем, что, создавая разрежение воздуха, нельзя поднять воду больше чем примерно на десять метров.

Как же все-таки дерево пьет? Как из-под земли вода попадает на самый верх столетних дубов, корабельных сосен, пирамидальных кипарисов? Есть в природе силы, которые незаметны глазу. Силы эти очень слабенькие на первый взгляд. Казалось бы, они важны для пылинок, муравьев и мошек. Тем не менее эти силы влияют на огромное количество процессов в природе, в том числе на работу всех внутренних органов человека. И мы сталкиваемся с ними каждый день, не замечая их полезной – а иногда разрушительной – работы или не задумываясь о ней.

Проведем простой эксперимент. Возьмите старую газету, чайную ложку, спичку и зеленку (ту, которой мажут царапины). Газета очень важна в нашем эксперименте. Ее надо положить на стол (предварительно сняв со стола скатерть). Если этого не сделать, то обязательно стол будет заляпан зеленкой и мама отберет у вас эту замечательную книгу. На газету надо положить ложечку (ее легче потом отмыть) или блюдечко. Капните в ложечку или блюдечко небольшую каплю зеленки. Теперь тем концом спички, на который не намазана сера, аккуратно коснитесь поверхности капли. Держите спичку вертикально, так чтобы она касалась поверхности капли только своим торцом. Коснувшись, подержите спичку так некоторое время, минутку-другую. Вы увидите, что зеленка будет медленно ползти по спичке вверх, больше всего по углам, меньше в середине ее сторон. Через пару минут отдельные линии могут подняться на сантиметр, а то и больше.

На фото видно, как по палочке «взобралась» жидкость, почти до половины. На фото я показал тот же опыт с деревянной зубочисткой, обломанной на кончике. Теперь можно спичку выкинуть в помойное ведро, а ложку и блюдце – помыть под струей холодной воды с мылом. Надо только помнить, что зеленка – сильнейший краситель и мыть все надо быстро, а то закрасите раковину.

Мы доказали нашим опытом, что дерево, даже мертвое, способно «поднимать» жидкости на определенную высоту. Оказывается, есть особые силы, которые заставляют жидкость подниматься вверх по узкой трубочке или щелке в материале. Закон в целом формулируется очень просто: чем тоньше трубочка, тем выше (дальше) продвинется жидкость. И еще: чем менее вязкая жидкость, тем также выше (дальше) она продвинется. (Здесь речь идет только о тех жидкостях, которые смачивают поверхность, но об этом я расскажу позже.) Так что в двух одинаковых трубочках спирт продвинется выше воды, а в двух разных трубочках спирт поднимется выше в той, которая у?же.

Как подтвердить, что продвижение жидкости зависит от ее вязкости? Очень просто: спирт менее вязкий, чем вода. Намочите руки обычной водой. Теперь на влажную ладонь (если не жалко) капните чуть-чуть зеленки (это раствор бриллиантовой зелени на спирту). Вы увидите, как во все стороны разбегутся по микроморщинкам кожи зеленые лучики. Даже если просто провести пробкой от флакончика по влажной ладони, то вы увидите, как проступает рисунок (тот самый, по которому опознают преступника). Спирт вытесняет воду из тонких микроморщинок кожи и разбегается по ним под действием законов физики.

В стволе дерева клетки древесины образуют тончайшие трубочки, каналы, по которым за счет капиллярных сил (капилляр – это по-научному так называется тонкая трубочка) вода поднимается на высоту гораздо большую, чем может поднять атмосферное давление. Только трубочки эти вправду очень тонкие. Вот так дерево и пьет воду из-под земли!

Практический совет: когда у вас, мой читатель, будут брать анализ крови из пальца, не пугайтесь, а внимательно проследите, что делает врач. После того как на поверхности пальца появится капелька крови, ее коснутся стеклянной трубочкой. Кровь – жидкость. Она сама поднимется по трубочке без всякого насоса. Но мы-то знаем, почему так происходит!

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

VI. Если в лесу падает дерево и никто этого не слышит, производит ли оно грохот?

VI. Если в лесу падает дерево и никто этого не слышит, производит ли оно грохот? Наши примеры были сосредоточены на микроскопических частицах, однако мы вовсе не утверждали, что для того, чтобы вести себя по-квантовому, частица обязательно должна быть крошечной. Более того,

VI. Если в лесу падает дерево и никто этого не слышит, раздается ли шум?

VI. Если в лесу падает дерево и никто этого не слышит, раздается ли шум? Наши примеры были сосредоточены на микроскопических частицах, однако мы вовсе не утверждали, что для того, чтобы вести себя по-квантовому, частица обязательно должна быть крошечной. Более того, на самом

Источник

Исследователи впервые наблюдали как деревья пьют воду в режиме реального времени

Ученые из Университета Ноттингема представили новый метод, который позволил отслеживать движение жидкостей внутри растений. Это позволит исследовать клетки человека в будущем.

Читайте «Хайтек» в

Исследователи объяснили, что за поглощением воды внутри корней, не повреждая образец, практически невозможно наблюдать. Но это бы дало представление о движении жидкостей в тканях и клетках организмов.

«Чтобы наблюдать за поглощением воды живыми растениями, не повреждая их, мы применили чувствительный метод оптической микроскопии на основе лазера, чтобы увидеть движение воды внутри живых корней неинвазивно. Это никогда не делали ранее», — отметили исследователи.

Они отметили, что в основе процесса, благодаря которому растения способны становятся урожайными — это то, насколько хорошо они могут поглощать жидкости и управлять этим процессом. Вода играет важную роль в качестве растворителя для питательных веществ, минералов и других биомолекул в тканях растений. Ученые разработали способ, который позволяет наблюдать за этим процессом на уровне отдельных клеток. Теперь они могут видеть, как вода поднимается вверх внутри корня и перемещается по остальной части растений и деревьев.

Используя щадящий лазер, новую технологию визуализации, основанную на удостоенном Нобелевской премии методе рамановской спектроскопии, исследователи измерили перемещение воды вверх по корневой системе на клеточном уровне и запустили математическую модель для объяснения и количественной оценки этого процесса.

Исследователи использовали «тяжелую» воду, оксид дейтерия, который содержит дополнительный нейтрон в ядре каждого атома водорода. Сканируя лазером линию поперек корня, пока растение пило, можно было увидеть, как вода движется через кончик корня.

При разработке метода исследователи сосредоточились на растительных клетках, которые примерно в 10 раз больше человеческих и поэтому их легче наблюдать. Сейчас исследовательская группа переносит эти же методы на человеческие клетки, чтобы наблюдать точно такие же процессы в еще меньшем масштабе.

Источник

Как корни деревьев пьют воду

Как часто люди живут своей привычной жизнью и не замечают удивительных вещей. Красота наших лесов уникальна. Деревья замечательны не только своей красотой, но и разнообразием. Почему на нашей планете в широтной зональности произрастают деревья определённой высоты одного вида? От чего зависит высота деревьев? Как деревья-гиганты обеспечивают себе подъём воды? Эти вопросы меня очень заинтересовали. Закону широтной зональности подчинены пояса атмосферного давления, как один из факторов воздействия на живые организмы. Водопроводящую систему деревьев можно сравнить с движением воды по трубам, а движение жидкости в сосудах древесины – высота поднятия в капиллярных трубках. Проблема: почему в разных климатических широтах произрастают деревья одного вида разной высоты, и от чего зависит водопроводящая система у низкорослых деревьев и деревьев-гигантов. Гипотеза: если есть зависимость диаметра сосуда древесины от высоты дерева, то его высота зависит от атмосферного давления как от одного из факторов влияния в различных широтах. Цель: исследование зависимости высоты дерева от диаметра сосуда древесины при определённом атмосферном давлении на различных широтах его произрастания.

Задачи проекта: 1. Изучить источники информации по выбранной теме. 2. Углубить знания по теории законов гидравлики, капиллярным явлениям. 3. Провести и описать эксперимент, подтверждающий или опровергающий выдвинутую гипотезу. 4. Обработать и проанализировать результаты проделанной работы. 5. Представить результаты в виде линейной диаграммы. 6. Сделать вывод, отвечающий поставленной цели.

Объект исследования: законы и явления физики в изучении теории гидравлики, капиллярных явлений. Предмет исследования: проводящая система древесины. Актуальность темы: исследование обусловлено продвижением знаний по вопросам законов гидравлики и теории капиллярных явлений, в постановке проблемы исследования с привлечением внимания общества к вопросам окружения привычных нам явлений в нашей жизни и построением диаграммы зависимости диаметра сосуда древесины от высоты.

1. Что такое гидравлика

Гидравлика – это наука, имеющая тысячелетнюю историю развития. Слово «гидравлика» происходит от сочетания двух греческих слов — hydor (вода) и aulos (труба) — и означает движение воды по трубам. В настоящее время термин «гидравлика» получил более широкое значение. В современном смысле гидравлика — техническая наука, в которой изучаются законы равновесия и движения жидкостей, а также методы применения этих законов в инженерной практике. Часть гидравлики, рассматривающую законы равновесия жидкостей, называют гидростатикой, часть, рассматривающую законы движения жидкостей – гидродинамикой. Два направления изучения гидравлики — в динамическом и статичном контекстах. Гидродинамика затрагивает вопросы кинематики воды как таковой, а гидростатика больше ориентируется на законы взаимодействия жидкостей с другими средами и телами. Причиной гигроскопического движения являются колебания влажности атмосферного воздуха. В технике различного рода гидравлических установках необходимое давление создается почти всегда с помощью компрессоров или насосов. У растительного организма решение задач, связанных с выполнением различного рода движений, в том числе и управляющих, не требует приложения столь больших усилий. Тем не менее, и они решаются при помощи законов гидравлики, но при значительно более низких давлениях 1 .

Водная среда является главным аспектом изучения в этом направлении. Вода — самое распространенное в биосфере вещество, играющее исключительно важную роль в жизни живой природы и в частности растений. Вода входит в состав клеток и тканей любого животного и растения. Потеря большого количества воды живым организмом может привести к его смерти. Растения способствуют более быстрому водному обмену почвы и воздуха. Трудно переоценить то благотворное воздействие, какое оказывает растительный мир на климат, регулируя его.

2. Растительный мир и законы гидравлики

Автономные движения растительного организма управляются с помощью гидравлики. В технике конструкторы создают высокое давление за счет сжатия: какая-либо подвижная деталь, например поршень, давит на жидкость. Для растения использование такой технологии потребовало бы больших затрат энергии и создания специальных и к тому же сложно устроенных приспособлений. Поэтому они применяют с конструктивной точки зрения намного более простой, а с точки зрения расходования энергии более эффективный метод — осмос. Осмос представляет собой диффузию вещества через перегородку (мембрану), разделяющую чистый растворитель и раствор или два раствора разной концентрации. Перегородка проницаема только для растворителя. Такой способ создания гидравлического давления связан с естественной способностью солей притягивать воду, растворяться в ней и уменьшать насыщенность раствора. С помощью осмоса растения создают довольно большие давления. Внутриклеточное давление придает жесткость тем растениям, ткани которых не одревеснеют. Когда осмотическое давление падает, например у срезанных и поставленных в вазу цветов, растение увядает. Многие растения обзавелись для этих целей самыми настоящими сочленениями, работающими по тому же принципу, по которому действуют гидравлические сочленения в технике. Каким же образом растение добивается внезапного падения давления? Причина в том, что оно в состоянии менять размеры пор в полупроницаемой мембране клеток. При увеличении размера пор раствор, находящийся под давлением в клетке, выходит наружу, и давление понижается. В течение считанных минут клеточная оболочка возвращается в прежнее состояние, и процесс может повториться вновь 2 .

2.1. Двигатели водного потока

Передвижение воды по растению определяется двумя основными двигателями водного потока: нижним двигателем водного потока или корневым давлением, верхним двигателем водного потока или присасывающим действием атмосферы. Механизм, обеспечивающий поднятие воды по растению за счет корневого давления, — нижний концевой двигатель водного тока. Вода заполняет весь путь от почвы — через корень и стебель — до клеток в листе. Суммарный поток воды направлен в сторону меньшего водного потенциала. Корневое давление наг­нетает воду в сосуды центрального цилиндра корня, а сосущие силы притягивают эту воду. Процесс подъема воды от корней до листьев носит название восходящего тока. Кор­невое давление получило название нижнего концевого двигателя водного тока. Притягивающие же воду сосущие силы листьев называют верхним конце­вым двигателем водного тока. Наши обычные деревья имеют довольно большие размеры и значительную протяженность водопроводя­щей системы корней. Водный ток испытывает и преодолевает силу зем­ного притяжения, силу тяжести. Меж­ду молекулами передвигающейся воды существуют силы сцепления. Водопроводящие элементы представляют единое целое с водным потоком, так как стенки их полностью смочены, насыщены водой. Все это сильно отличает условия, создаю­щиеся в дереве, от условий в поршневых насосах, где между стенками цилиндра и поршня посто­янно появляются пузырьки воздуха, нарушающие це­лостность водного столба. Происходит обрыв этого столба при подъеме на высоту более 10 метров. Для того чтобы поднять воду на высоту 100 метров, необхо­димо наличие сосущих сил в кроне дерева порядка до 35 атмосфер: на преодоление силы тяжести — 10 атмосфер, сопро­тивления фильтрации через поперечные стенки сосу­дов — до 25 атмосфер. Поэтому с чисто физической точки зрения представля­ется возможным объяснить подъем воды на высоту 100 метров и более 3 .

3. Капиллярные явления

Капиллярность — явление подъёма или опускания жидкости в капиллярах, заключающееся в способности этой жидкости изменять уровень в трубках малого диаметра, узких каналах произвольной формы и пористых телах. Подобные явления можно также наблюдать в очень узких трубочках, которые называются капиллярами (от лат. capillus — волосок) 4 . Силы, лежащие в основе капиллярности, — д ей­ствие по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния и эф­фек­т сма­чи­ва­ния.

3.1. Поверхностное натяжение

Термин «поверхностное натяжение» подразумевает, что вещество у поверхности находится в «натянутом», то есть напряжённом состоянии, которое объясняется действием силы, называемой внутренним давлением. Она стягивает молекулы внутрь жидкости в направлении, перпендикулярном её поверхности. Молекулы, находящиеся во внутренних слоях вещества, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул. Молекулы поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоёв веществ и со стороны, граничащей с поверхностным слоем среды. На поверхности раздела жидкость — воздух молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоёв жидкости, чем со стороны молекул воздуха. Внутреннее давление обуславливает втягивание молекул, расположенных на поверхности жидкости, внутрь и тем самым стремится уменьшить поверхность до минимальной при данных условиях. Сила, действующая на единицу длины границы раздела, обуславливающая сокращение поверхности жидкости, называется силой поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением 5 .

Коэффициент поверхностного натяжения является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения — сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности. Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. При контакте жидкости с другими телами жидкость имеет поверхность, соответствующую минимуму ее поверхностной энергии.

3.2. Эффект смачивания

Линия, ограничивающая поверхность капли на твёрдом теле является границей поверхностей трёх тел: жидкости, твёрдого тела и газа. Поэтому в процессе установления равновесия капли жидкости на границе этих тел будут действовать три силы: сила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом, сила поверхностного натяжения жидкости на границе с твёрдым телом, сила поверхностного натяжения твёрдого тела на границе с газом. Будет ли жидкость растекаться по поверхности твёрдого тела, вытесняя с него газ, или, наоборот, соберётся в каплю, зависит от соотношения величин этих сил. Необходимо отметить, что именно скорость изменения диаметра пятна, образованного каплей жидкости, нанесённой на чистую поверхность материала, используется в качестве основной характеристики смачивания в капиллярах. Её величина зависит как от поверхностных явлений, так и от вязкости жидкости, её плотности, летучести. Более вязкая жидкость с прочими одинаковыми свойствами дольше растекается по поверхности и медленнее протекает по капиллярному каналу 6 .

3.3. Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках

Капиллярные явления обусловлены двумя разнонаправленными силами: сила тяжести, заставляющая жидкость опускаться вниз и сила поверхностного натяжения, двигающая воду вверх. Подъ­ем/опускание жид­ко­сти по ка­пил­ля­ру оста­но­вит­ся тогда, когда сила по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния урав­но­ве­сит­ся силой тяже­сти, дей­ству­ю­щей на столб под­ня­той жид­ко­сти. Вы­со­та, на которую под­ни­мет­ся сма­чи­ва­ю­щая жид­кость в ка­пил­ляр­ной труб­ке, преодолевая силу тяжести, рассчитывается по формуле (3.3.1):

где ­­­­­­ – ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния, Н/м ; – плот­ность жид­ко­сти, кг/м 3 ; – уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния, 9,8 м/с 2 ; h – высота столбика поднятой жидкости, м ; r – радиус капилляра , м ; d – диаметр капилляра, м 7 .

Если капилляр наклонён к поверхности жидкости, то высота поднятия жидкости от величины угла наклона не зависит. Как бы не располагались капилляры в структуре, высота поднятия жидкости будет зависеть от ­­­­­­, , , r ( d ) . Из формулы высоты поднятия жидкости в капиллярах выражаем формулу для нахождения диаметра капилляра (3.3.2)

где ­­­­­­– ко­эф­фи­ци­ент по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния, Н/м; – плот­ность жид­ко­сти, кг/м 3 ; – уско­ре­ние сво­бод­но­го па­де­ния, 9,8 м/с 2 ; h – высота столбика поднятой жидкости, м; d – диаметр капилляра, м 8 .

4. Гидростатическое давление

На каждую частицу жидкости, находящейся в поле тяготения Земли, действует сила тяжести. Под действием этой силы каждый слой жидкости давит на расположенные под ним слои. В жидкостях существует давление, обусловленное ее весом. Жидкость способна легко изменять свою форму. Части жидкости могут свободно сдвигаться, скользя друг относительно друга. Жидкости практически несжимаемы. Вода в древесине может быть как в статическом (стабильном) и в динамическом (нестабильном) состоянии. Если вода находится в термодинамическом равновесии с древесиной и окружающей средой, то в ней не происходит никаких изменений во времени или в пространстве. Такое состояние воды называют стабильным и характеризует конечный результат взаимодействия древесины и воды. Динамика устанавливает наиболее общие закономерности взаимодействия древесины и воды. Давление, обусловленное весом жидкости, называют гидростатическим давлением. Согласно закону Паскаля давление, производимое на жидкость, передается жидкостью во все стороны одинаково. Это связано с подвижностью молекул в жидком состоянии 9 .

Давление столба жидкости определяется по формуле (5.1):

где ρ — плотность жидкости, кг/м 3 ; g — ускорение свободного падения, 9,8 м/с 2 ;
h – высота столба жидкости или глубина, на которой измеряется давление, м 10 . Гидростатическое давление равно весу столба жидкости с единичным основанием и высотой, равной глубине погружения точки под свободной поверхностью жидкости. Давление на дно сосуда определяется только высотой столба жидкости. Независимо от формы сосуда и его размеров.

5. Пояса атмосферного давления

Воздух, окружающий Землю, имеет массу и оказывает давление на все объекты, находящиеся на земной поверхности. Сила, с которой воздух давит на земную поверхность, называется атмосферным давлением. За нормальное атмосферное давление условно принято давление воздуха 760 миллиметров ртутного столба на уровне моря на широте 45° и при температуре 0 °С. Давление воздуха на нашей планете может изменяться в широких пределах. Распределение атмосферного давления по земной поверхности носит ярко выраженный зональный характер.

На планете сформировалось несколько поясов атмосферного давления:

низкое давление на экваторе;

высокое давление в тропиках;

низкое давление над умеренными широтами;

высокое давление над полюсами.

Это происходит из-за постоянно высоких температур воздуха на экваторе. Нагретый воздух поднимается и уходит в сторону тропиков. На полюсах поверхность земли всегда холодная, а атмосферное давление повышено. Его обуславливает воздух, который приходит из умеренных широт. В умеренных широтах из-за оттока воздуха формируется зона пониженного давления 11 .

Таким образом, на Земле существуют два пояса атмосферного давления — пониженный и повышенный. Пониженный на экваторе и в двух умеренных широтах. Повышенный на двух тропических и двух полярных. Они могут немного смещаться в зависимости от времени года. Круглый год области пониженного давления сохраняются близ Экватора и в южном полушарии в умеренных широтах.

5.1. Влияние атмосферного давления на растения

Существуют лабораторные вакуумные установки различных размеров и мощностью. С применением такой установки основанной на использовании очень низкого атмосферного давления можно реализовать искусство Бонсай — выращивания точной копии настоящего дерева в миниатюре – прямо пропорциональная зависимость высоты роста растений от атмосферного давления. При увеличении/снижении атмосферного давления пропорционально увеличивается/снижается абсолютный рост. Это может служить экспериментальным до­казательством того, по­чему деревья после ката­строфы миллионы лет назад на Земле или полностью вымерли, или уменьшились 12 . Сегодня остатки погибшей биосферы — деревья-гиганты, достигающие высоты до 150 метров, которые ещё совсем недавно были ши­роко распространены по всей планете. Плотный воздух более теплопроводен, поэтому субтро­пический климат распространялся от экватора до полюсов, где не было ледяного панциря. Благодаря высокому атмосферному давлению теп­лопроводность воздуха была высокой. Это обстоятельство вело к тому, что температура на планете распределялась рав­номерно, и на всей планете климат был субтропический. Вследствие вы­сокой теплопроводности воздуха при высоком атмосферном давлении на полю­сах тоже росли тропические и субтропические растения.

За последнее время мы наблюдаем постепенное умень­шение давления на планете. За последнюю тысячу лет давление, если считать, что оно падало по 1-2 мм ртутного столба в год, упало с трёх до одной атмосферы. Суша занимает всего 1/3 поверх­ности планеты, получается, что Земля была покрыта сло­ем сплошной зелёной массы. Многоярусность лесов позволяла разместить на Земле во много тысяч раз больше массы современной биосферы.

Когда — то реликтовые леса с гигантскими растениями покрывали большую часть суши земного шара. Ископаемые образцы говорят о том, что гигантские деревья существовали уже в юрский период. Так сложилось в природе, что десять самых высоких деревьев растут на территории США, и относятся к виду Секвойя. Как уникальные деревья у каждого из них есть имя собственное. Но на других континентах и странах произрастают не мене удивительные и по-своему уникальные виды деревьев.

Секвойя — самое высокое дерево в мире, который растёт всю жизнь в высоту и в ширину. Учёные установили, что секвойя росла на Земле более 100 миллионов лет назад. Об этом свидетельствуют найденные окаменелости с остатками коры. Учёные утверждают, что многие миллионы лет назад секвойи росли по всему северному полушарию Земли. Сегодня в естественном виде эти гиганты растут узкой полосой вдоль берегов Тихого океана в Северной Америке, штат Калифорния, никогда не удаляется далеко от побережья. Искусственно выращивают это дерево в Канаде, Мексике, Великобритании, Португалии, Италии, ЮАР, Новой Зеландии, в Крыму, на Кавказе. Но везде, где это дерево посажено искусственно, не достигает таких огромных размеров, как на своей естественной родине в Северной Америке. Эвкалипт — вечнозелёные исполины, произрастают в Австралии, Новой Зеландии, на Тасмании. Огромные эвкалипты могут жить только во влажном климате субтропиков. Эвкалипт — дерево, не дающее тени, потому что листовые пластинки поворачиваются ребром к солнцу. Благодаря такой способности эвкалипт долго может сохранить вобранную в себя влагу, это настоящий водяной насос. Одно такое дерево в течение суток способно всосать в себя более 300 литров влаги. А за год этот выпивает более 100 тонн воды. Из-за этих свойств, это дерево часто используют в мелиорации 13 .

6.1. Подъём воды в стволах высоких деревьев

Долгое время механизм подъема воды к верхушкам высоких деревьев оставался загадкой. Вода от корней дерева поднимается по ксилеме — сосудистой ткани, а движут ее вверх, против силы тяжести, капиллярные силы. Чем выше дерево (а тем самым высота водяного столба), тем больше сила тяжести затрудняет подъем. Давление водяного столба в ксилеме неуклонно падает с высотой. Столб воды разрывается с появлением пузырьков воздуха. На высотах больше 110 метров, т.е. у вершин деревьев-гигантов, давление в ксилеме очень близко к минимально возможному. Однако во время засух избежать падения давления ниже допустимого уровня не удается — верхняя часть кроны, вероятно, отмирает, но потом заменяется новой. Почти все высокие секвойи имеют несколько вершин. Как и давление в ксилеме, линейно с высотой снижается внутреннее гидростатическое давление в живых клетках, необходимое для их роста и развертывания листьев 14 .

Предел высоты дерева определяется доступностью воды. Высота, которой могут достигнуть секвойи, непостоянна, она меняется со временем в зависимости от климатических и атмосферных перемен — ведь на водообеспечение и углеродный баланс дерева влияет сумма факторов: уровень концентрации углекислого газа в атмосфере, изменения температуры и влажности внешней среды.

Цель эксперимента: доказать, что высота поднятия жидкости в капиллярах зависит от диаметра этих капилляров.

Оборудование и материалы: ёмкость для жидкостей, термометр, штангенциркуль, маркер, набор трубочек различных диаметров, вода родниковая, сок берёзовый натуральный (Приложение А).

Ход работы: 1. Приготовила образцы трубочек различного диаметра для исследования. Штангенциркулем определила их внутренний диаметр и соответственно пронумеровала по уменьшению их диаметра, данные занесла в таблицу 10.1 (Приложение Б). 2. На расстоянии 1 сантиметра от одного конца образца отметила маркером линию. Взяла ёмкость с родниковой водой и по очереди опускала образцы трубочек в воду, так чтобы уровень воды совпадал с проведенной линией. 3. Отметила маркером высоту поднятия жидкости. Такой опыт я провела с каждым образцом (Приложение В). 4. Штангенциркулем отмерила высоту поднятия родниковой воды в трубочках. Полученные данные анализа занесла в таблицу 10.2 (Приложение Г). 5. Повторила опыт с натуральным берёзовым соком (Приложение Д). 6. Штангенциркулем отмерила высоту поднятия берёзового сока в трубочках. Полученные данные анализа занесла в таблицу 10.3 (Приложение Е).

Температура родниковой воды в опыте составляет 20 0 С; плотность = 1000 кг/м 3 ; коэффициент поверхностного натяжения = 0,073 Н⁄м. Температура натурального берёзового сока — 20 0 С; плотность = 1000 кг/м 3 ; коэффициент поверхностного натяжения = 0,062 Н⁄м 15 . Согласно формуле нахождения высоты поднятия жидкости в капиллярах (3.3.1) эта высота будет зависеть от ­­­­­­, , , d .

Вывод: из таблиц 10.2 и 10.3 следует, что высота поднятых жидкостей пропорциональна диаметру трубочек, результаты эксперимента с родниковой водой подтверждают эту пропорциональность результатами эксперимента с натуральным берёзовым соком. Натуральный берёзовый сок как более вязкая жидкость медленнее протекает по капиллярному каналу.

Одним из основных приемов разработки общих теоретических положений является обобщение – средство перехода от познания частных явлений к познанию общих. Оно заключается в исследовании таких свойств и явлений материального мира, которые характеризуют не единичное явление, а целый класс однородных в данном отношении явлений.

Теория подобия – учение о методах научного обобщения эксперимента. Она отвечает на вопрос, как нужно поставить опыт и обработать полученные данные, чтобы их можно было распространить на подобные явления. Всякое явление природы представляет собой систему материальных тел, которая за счет протекания в ней различных процессов претерпевает определенное изменение состояния. Подобными явлениями называют системы тел, геометрически подобные друг другу, в которых протекают процессы одинаковой физической природы и в которых одноименные величины, характеризующие явления, относятся между собой как постоянные числа.

Метод подобия применяется в задачах прикладного характера, в которых решения требуется учитывать большое число физических величин и позволяет выделить безразмерные параметры, которые независимо влияют на исследуемый процесс. Такой подход позволяет упростить качественное исследование и численное моделирование эксперимента. Высота столба поднятой жидкости подобна высоте дерева, диаметр трубочек подобен диаметру сосудов древесины. Проанализировав результаты, на основании полученных данных о водопроводящей системе деревьев и метода подобия я построила кривую высот: линейную диаграмму зависимости диаметра сосуда древесины от высоты. (Приложение Ж).

Жидкость в капиллярной трубке преодолевает силу тяжести. В данный момент времени состояние жидкости будет стабильным и характеризует конечный результат взаимодействия древесины и воды. Давление обусловлено весом жидкости в древесине.

Согласно формуле определения гидростатического давления столба жидкости (5.1) давление на дно сосуда определяется только высотой столба жидкости и независимо от формы сосуда и его размеров. Атмосферное давление воздуха давит на земную поверхность. Гидростатическое давление в данной точке жидкости создастся весом жидкости, находящейся над этой точкой, и весом атмосферы над поверхностью жидкости. Давление у поверхности жидкости часто равно атмосферному давлению.

Вывод по эксперименту: смачивающие жидкости родниковая вода и натуральный берёзовый сок близкие по своему составу к природным источникам воды для всего растительного мира и сокодвижения в деревьях поднимаются по капиллярам сосудов древесины, преодолевая силу тяжести, на высоту дерева, зависящую от коэффициента поверхностного натяжения этих жидкости, их плотности и диаметра капилляра сосудов древесины.

Так как распределение атмосферного давления по земной поверхности носит ярко выраженный зональный характер и сформировалось несколько поясов низкого и высокого атмосферного давления в определённых широтах, с большой вероятностью можно сказать, что высота деревьев будет различной при определённом атмосферном давлении на различных широтах его произрастания и будет зависеть от атмосферного давления как от одного из факторов влияния на рост и развитие растительного мира.

На высоту деревьев влияют разные климатические факторы, в том числе и атмосферное давление, но прежде всего она зависит от гидравлической системы самого дерева.

В результате своей исследовательской работы я д остигла решения проблемы с помощью поставленной цели и задач:

1. Изучила специальную литературу, включающую научные и журнальные статьи, учебники, словари, энциклопедии по выбранной теме.

2. Углубила свои знания по законам гидравлики, капиллярным явлениям, которые широко распространены как в человеческой деятельности, так и в природе.

3.рДоказала экспериментально зависимость диаметра сосуда древесины от высоты.

4. Проанализировала результаты исследовательской работы и представила результаты в виде линейной диаграммы.

5. Подтвердила гипотезу зависимости высоты дерева от атмосферного давления, как от одного из факторов влияния на различных широтах его произрастания.

6. Усовершенствовала в процессе своей работы личностные качества:

способность работать с большим количеством информации;

стремление к саморазвитию.

нацеленность на результат;

Я вижу дальнейшую перспективу применения разработанного мной продукта для усовершенствования знаний на уроках физики и биологии в школе.

Список использованной литературы

1. Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины. – М.: Издательский дом Альянс, 2002. – 422 с.

2. Галдин Н.С. Основы гидравлики и гидропривода: Учебное пособие. – Омск.: Издательствово СибАДИ, 2006. – 145 с.

3. Гомоюнов К.К. Физика. Толковый словарь школьника и студента. – М.: Проспект, 2-е издание, 2010. – 496 с.

4. Патури Ф. Растения — гениальные инженеры природы. – М.: Прогресс, 2002. – 265 с.

5. Магеррамов М. А. Теплофизические свойства натуральных и концентрированных плодоовощных соков. – Баку.: Элм, 2006. – 274 с.

6. Сальников В.С. Механика жидкости и газа. – Ярославль.: Издательский дом Факел, 2002. – 199 с.

7. Телеснин Р. В. Молекулярная физика: Учебное пособие. – СПб.: Лань, 2009 . – 368 с.

8. Шемшук В. А. Как нам вернуть Рай. – М.: Омега Плюс, 2009. – 336 с.

9. Алехина Н. Д. Движение воды в целом растении (Электронный ресурс). –http://gendocs.ru

10. Бурова Л.А. Самое высокое дерево в мире (Электронный ресурс). – http://www.doklad-na-temu.ru

11. Горкин А.П. Современная иллюстрированная энциклопедия (Электронный ресурс). – https://www.litmir.me

12. Гэлстон А. Подъём воды в стволах высоких растений (Электронный ресурс). – http://www.booksshare.net

13. Михайлова Н.В. Где растет эвкалипт? (Электронный ресурс). –http://fb.ru

Таблица 10.1 — Номера трубочек и их внутренний диаметр

Источник