在 2009 年一場名為克勞斯 (Klaus) 的特大風暴襲擊法國西南部後,研究人員對這場災難做出了一個令人好奇的觀察:幾乎所有被風速達到每小時 94 英里或以上的狂風襲擊的樹木都折斷了,無論它們的樹種、高度或直徑如何,而大多數被低於該閾值的陣風襲擊的樹木都完好無損。這個風速閾值真的是破壞的仲裁者嗎?
法國巴黎綜合理工學院和巴黎高等物理化工學院的物理學家克里斯托夫·克拉內特 (Christophe Clanet) 及其同事著手透過在受控條件下折斷不同長度和直徑的山毛櫸木棒來找出答案。為此,他們將給定木棒的一端插入鋼塊中直徑相同的孔中,並緩慢地向另一端施加力,使木棒彎曲。然後,他們測量了木棒破裂時的臨界曲率,並將這些值代入數學斷裂公式,以確定相應的風速。他們的發現與 2009 年的真實情況相符:計算出的折斷木棒的風速(無論尺寸大小)約為每小時 94 英里。該研究最近發表在《物理評論 E》雜誌上。
為什麼會如此一致?結果歸結為物理學和進化的結合。雖然僅憑數學預測樹木斷裂所需的風速應取決於樹幹直徑和樹高,但自然界不會造出既細又高的樹木。相反,矮樹細,高樹粗。更重要的是,較粗的樹木有較大的缺陷,例如樹結,當樹木彎曲時,應力會集中在這些缺陷處。
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這些特徵(缺陷、長度和直徑)相互抵消,使得風速成為折斷的主要決定因素。因此,雖然矮樹的裂縫應力點較小,但它較細,更容易裂開。另一方面,高樹具有寬度和剛度,但較大的內部缺陷會破壞其堅固性。
這一發現因其簡潔性而引人注目:一個方程即可理解樹木力學。然而,一些外部專家對這種簡潔性表示擔憂。例如,明尼蘇達大學森林生態中心主任李·弗雷利希 (Lee Frelich) 表示,將樹木建模為無分支圓柱體忽略了樹枝在風中的流線型,這反過來又改變了樹幹上的力和風速之間的關係。換句話說,這種設定並未反映現實生活中生物學、天氣和物理學的複雜相互作用。儘管如此,克拉內特及其同事確實認為這些結果具有實用性,並計劃研究陣風(與本專案假設的穩定風速相反)是否會改變斷裂點。
