Как растения поднимают воду

[22sobaki.livejournal.com]

Некоторое время назад я пытался разобраться, как именно деревья поднимают воду от земли до верхушки. Вопрос не технический, но вполне себе инженерный. И наука тут, похоже, еще блуждает в потемках.

mi3ch давеча выложил короткий научно-популярный фильм с гипотезой:

(для включения русских субтитров нажать внизу справа).

От себя добавлю ссылку на статью про отрицательные давления в жидкостях. Отрицательные не в смысле меньше 1 атмосферы, а в смысле меньше нуля. Это не какие-нибудь торсионные поля, а серьезный журнал - "Успехи физических наук" за 1972 год.

Пока вы смотрели видео, секвойя подняла на высоту ста метров 3 литра воды. Как? Подумайте об этом)

Comments

[agalakhov.livejournal.com]

Вот такая моделька. Положим, полоска промокашки способна поднять воду на высоту 2h. Соберем конструкцию из полосок промокашки длиной h и ваток между ними, причем так, чтобы промокашки можно было подключать к ваткам и отключать обратно.

Подключим первую ватку к первой промокашке и опустим в воду. Первая ватка стала мокрой.

Отключим первую ватку от первой промокашки. Подключим вторую ватку к второй промокашке, а вторую промокашку к первой ватке. Часть воды перейдет из первой ватки во вторую. Проделав это переключение несколько раз, мы можем намочить вторую ватку до предела.

Теперь отключим вторую ватку от второй промокашки и включаем третью ступень. Поступаем аналогично.

Таким образом можно поднять воду капиллярным эффектом на практически неограниченную высоту. Энергия на подъем воды берется из переключений: когда мы отключаем ватку от промокашки, мы силой разрываем поверхностное натяжение воды между ними. Эта энергия передается воде и идет на то, чтобы поднять воду на очередную ступень. Поэтому, кстати, нельзя делать переключения просто давлением самой же воды, обязателен какой-то дополнительный источник энергии, например, химическая реакция.

По очень похожему принципу работает в электронике обычный умножитель (схема Кокрофта-Уолтона).

[22sobaki.livejournal.com]

>Отключим первую ватку от первой промокашки. Подключим вторую ватку к второй промокашке, а вторую промокашку к первой ватке. Часть воды перейдет из первой ватки во вторую.

А выйдет вода из первой ватки во вторую промокашку? Ватка - это те же поры/капилляры, воде оттуда неохота вылезать. Ок, как вы пишете, перейдет часть - тогда от ступени к ступени расход воды будет падать. Много ли доберется до вершины?
Напрашивается не ватка, а полость. Причем сообщающаяся с атмосферой, чтобы промокашка могла высосать из нее всю влагу без остатка.

[agalakhov.livejournal.com]

Выйдет. И вот почему.

Капиллярный эффект имеет ту же природу, что и поверхностное натяжение. Воде выгодно увеличивать площадь своего контакта со смачиваемыми стенками сосуда и уменьшать площадь контакта с воздухом до тех пор, пока не установится равновесие. Обычно - равновесие между силами поверхностного натяжения и гравитацией. Отключая ватку от промокашки, мы резко уменьшаем площадь капилляров, с которыми контактирует вода ваты, и увеличиваем площадь воздуха. Равновесие смещается, и подъем воды вновь становится энергетически выгодным.

В этой схеме мы, разрывая соединение между промокашкой и ватой, сообщаем воде в вате порцию энергии, достаточную для подъема на очередную ступень. Нам необязательно ждать, пока вода поднимется полностью. Достаточно нарушить равновесие. Производя переключение достаточно быстро, можно поднимать воду с любой сколь угодно большой скоростью и в сколь угодно больших количествах.

А вот заменить вату сосудом не получится. В сосуд вода не потечет, капиллярные силы промокашки ее от этого удержат. В том и суть, что вата сначала капиллярно втягивает воду из промокашки, а потом ей меняют условия, искусственно сдвигают энергетический баланс, и вате отдавать воду становится выгоднее, чем принимать.

[agalakhov.livejournal.com]

ВАЖНО: эта штука очень напоминает "вечный двигатель", но таковым не является. Источником энергии для подъема воды являются переключения промокашек, они затратны (надо преодолевать "прилипание" бумаги к вате). Прилипание ватки к нижней (более мокрой) бумажке будет сильнее, чем прилипание к верхней (более сухой), эта асимметрия и создает перекачивание воды.

Всю конструкцию можно рассматривать как разновидность перистальтического насоса, "трубка" которого сделана из воздуха. Вместо обычного для таких насосов ролика, пережимающего трубку, мы используем слой воздуха, прерывающий столб воды.

[22sobaki.livejournal.com]

Из вашей схемы можно убрать ватку? По идее это тот же капилляр.

[agalakhov.livejournal.com]

Да. Вата нужна только для того, чтобы эффект легче было наблюдать и проще было понять. Без ваты пришлось бы дополнительно защищать промокашку от высыхания, делать полоски короткими, переключения - частыми и т.д., иначе опыт может не получиться. Вата имеет меньшую площадь испарения и удерживает больше воды, это удобно.

Единственное, что действительно важно - капилляр должен менять свой диаметр, иметь возможность разбухать. Стеклянная трубка не годится, нужен именно фитиль. Высота столба воды не должна однозначно определяться количеством воды в капилляре, тогда при соединении полного капилляра с пустым вода сможет распределиться между ними поровну.