Под поверхностью рек и ручьев водные растения качаются вместе с течением, играя невидимую, но жизненно важную роль в жизни водного пути. С помощью новой серии экспериментов, которые моделируют эти подводные волны, исследователи измерили, как течение изгибает смоделированные растения и силы сопротивления, действующие на них. Анализ важен для лучшего управления и понимания этих водных систем и, возможно, даже для устройств по сбору энергии.
Скрытые в водной бездне, растения замедляют течение, предотвращают эрозию и играют важную роль в переносе наносов, качестве 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 этих сред, жизненно важно знать, как физический поток воды влияет на растения.
Слишком сильное течение, например, может сломать, выкорчевать и убить растительность. Знание действующих сил может помочь землеустроителям определить, как отвести поток и защитить растения. Измерения силы сопротивления также могут быть использованы при компьютерном моделировании гидромеханики и распределения важных химических веществ и питательных веществ вокруг растений.
Предыдущие исследования, однако, анализировали эти силы только на одном растении или листе, обнаружив, что они деформируются и изгибаются, чтобы уменьшить силы. Но исследования игнорируют влияние соседних растений на водные колонии.
«Влияние сил было известно для одного единственного растения, но не было очевидным, что могут быть сильные взаимодействия между отдельными растениями, если их поместить в ряд под водой», - сказала Дельфина Допплер, физик из Лионского университета в Франция.
Теперь Допплер и ее коллеги впервые изучили силу сопротивления, которую испытывает отдельное растение в своей колонии. В частности, они изучили, как сила зависит от расстояния между растениями и как деформация растения зависит от скорости потока и размера растения. Они описывают свой анализ в выпуске Physics of Fluids на этой неделе от AIP Publishing.
В своих экспериментах исследователи моделировали растения, используя полоски гибкого пластика шириной 10, 15 и 20 миллиметров и высотой 60 миллиметров. Полосы были выровнены и помещены в наклонный резервуар для воды, который обеспечивает контролируемый поток вниз по склону. Используя камеры и зная наклон резервуара, исследователи смогли определить, как вода давит на смоделированные растения.
Они обнаружили, что даже в окружении других полоска изгибается так же, как если бы она была одна. С другой стороны, сила сопротивления уменьшается по мере того, как исследователи размещают полоски ближе друг к другу. Соседние полосы блокируют часть потока, уменьшая силу воздействия друг на друга. Таким образом, отдельные растения в густом водном пологе не должны деформироваться так сильно, как отдельное растение, чтобы избежать серьезных повреждений от сильных течений. Однако когда расстояние между полосами примерно в четыре раза превышает их ширину, этот эффект экранирования исчезает. Точно так же коэффициент аэродинамического сопротивления - число, которое количественно определяет силу сопротивления - увеличивается линейно по мере того, как полосы удаляются 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 раскачивающиеся растения.
Следующим шагом, говорит Допплер, является изучение волновых движений между кончиками растений и поверхностью воды. Сток в этом регионе играет важную роль в обмене химикатами и питательными веществами между растениями и водой.
Конечно, экспериментальная установка представляет собой идеализированный сценарий, поскольку большинство растений в реках не представляют собой прямоугольные полосы, выстроенные в линию на одинаковом расстоянии друг от друга. Тем не менее, говорит Допплер, общие результаты - уменьшение изгиба и влияние плотности водных колоний на силу сопротивления - должны быть верны в более реалистичных случаях и служить хорошей отправной точкой для более реалистичного моделирования того, что происходит в речных глубинах.