书城科普读物科学探究丛书-力
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第12章 生活中的力学(2)

另外,像箩、筛子等等都是笊篱的近亲,它们的工作原理当然跟笊篱也大同小异。各种各样的粒状物混在一起,为了能成功选取不同粒径的东西,就必须要选用不同尺寸的筛子。同样,在渔业上也是如此,聪明的捕鱼人为了长远打算,捞大鱼的同时还得让小鱼跑掉,所以就得采用网眼适宜的鱼网。一样的道理,像什么滤纸、洗衣的甩干机、自来水公司的过滤池,都是一把特殊的“笊篱”。生活当中如此,自然界也不例外,我们常喝的矿泉水其实都是由雨水“进化”而来的,在这个过程中地表的土和岩石发挥了功不可没的作用,因为它本身就是个很好的滤层。我们知道,无论动物也好、植物也罢,都有着不同性能的一层薄膜,它的作用就是让一些精华通过的同时让糟粕止步。像我们常说的糖尿病或肾炎,就是由于肾小体薄膜工作懈怠的缘故,让糖、蛋白质这些不该通过的东西畅通无阻。在现代物理化学研究中,分子筛其实也是一把精致的“笊篱”,留住了我们想要的一定大小的分子。虽然说这些“笊篱”形式各样,各有千秋,但其都有一点相同之处,那就是要有一定的网眼尺寸和使介质穿过网眼的驱动力。一般来说,这种驱动力越强,穿透物质的效率也就会越高。

对于筷子搅动法,生活当中的例子也不少。像在农村收麦子的时候扬场就经常用到。刚碾出来的麦子,麦粒和壳都混在一起,扬场时要先看准风向,然后再将这些东西一锨一锨地扬上去,一般情况下,麦粒都是按要求顺利落下,而麦壳则随风被吹到另外的地方。当然,在没有风的情况下,有经验的人照样可以进行这一系列的操作从而达到目的。使用簸箕也是一样的道理,一把簸箕,或摇、或簸、或溜、或抖,一套动作下来,簸箕里面的谷粒、秕糠、石头子就基本分离开了。这些技巧实际上和人们经常使用的惯性分离除尘器的原理基本是一样的。它们都是根据不同物质的运动轨迹不同而使之互相分开的。比如工业里面的旋转分离机,它先是使混合物高速旋转起来,以使不同粒径的粒料相互分离,或是使不同比重的液体相互分离。在自然界里,我们会发现这样的奇怪现象,河滩或是海滩上的石砾一般都是呈均匀分布状态的。这是因为那里的流动特点造成了这种石砾的沉积。在物理学中,质谱仪的运用也是同样的道理,为了精密分析混合物,把捕捉到的带电粒子,让其加速运动,在一定的时候考察这些不同的带电粒子在强磁场中的偏转。总而言之,想办法使不同性质的物体运动起来,它们各自张扬的个性就会趁机充分表现出来,也就是根据它们各自的运动轨道,捕捉它们手到擒来。

世人所知的研究原子弹的美国曼哈顿计划,在技术上遇到了很大一个难题。原子弹的材料是铀235,但是铀235总是和铀238纠缠在一起。这对近亲除了原子量稍微有点差异外,其他任何物理化学性质都是相同的。这项计划的关键技术问题也就是怎样使它们分离开的问题。因为铀238是不能产生链式反应的,并且铀235在天然铀中含量极其少,只有0.7%左右。为了解决这一难题,曼哈顿计划设计了三套方案:

其一是扩散法,就是利用六氟化铀的气体,让其在高压下向一种特制的隔膜另一侧扩散,分子越轻扩散得就越快,多次多级反复扩散之后,便得到了纯度另人满意的铀235。

其二是离心法,首先准备好密闭容器,然后使六氟化铀气体在其中高速旋转,因为两种物质的比重有差异,浓度稍高的铀235都集中到了内侧,如此重复几次,也能够得到较满意的铀235,这个方案操作起来相对比较简单,仅仅要一次流就可以了。

其三电磁法,这个方案的原理基于上图中的质谱仪。因为铀238比铀235重,轨道半径也大,根据这一特性,选好位置合理放好收集器,然后就只需等着把相当纯的铀235收到囊中了。

不管这些方案多么浅显或是多么高深,其道理和捞面条如出一辙。唯一不同的仅仅是铀235没有面条那么好“捞”罢了。因而在每步骤上都要下足工夫认真琢磨。比如说,在扩散法中提到的特制薄膜,就需要布满数十亿个孔,而这些孔径都不能大于0.01微米,并且这些孔还不能被腐蚀扩大,也不能被尘埃阻塞。仅这些苛刻的要求还不够,在强度上。还必须能承受得住一个大气压。应用到生产上的泵、阀门等,更不能有一丝的泄漏。这些从来没见过的高难度技术,经过技术人员好几年的努力,终于都成功解决了。几种方案的可行性一旦确立,马上建厂投入运行,曼哈顿计划成功实施。

可见,无论是日常生活当中的生产,还是困难重重的曼哈顿计划,说到底,无非都是在捞锅里的“面条”,只不过有的简单,有的精细。人类的科学技术不断在发展,力学在生活当中的一个小运用就会带给我们新的灵感。

树木生长中的秘密

木本植物因植株高度及分枝部位等不同通常分为两种,即乔木和灌木。

是高大直立的树木,一般高达5米以上,主干明显,分枝部位较高;比较矮小,一般高在5米以下,主干不明显,分枝靠近茎的基部。我国现有木本植物约7000多种,乔木约占1/3以上,但是能供应工业用材的还不到1000种,常见的仅仅有300种。

地球上要是没有树木,就不可能会有人类的今天。

树木能够改善人类赖依生存的环境质量,因而人们把树木和绿色植物比喻为“氧气的制造厂”、“新鲜空气的加工厂”。树木王国中还有很多树木能够分泌杀菌素以杀灭空气中的各种病菌;并且还能够吸收工业化生产排放的有毒气体、滞留污染大气的烟尘粉尘和消除对人类有害的噪声污染等。夏季树木茂密的树冠绿叶能遮拦阳光、吸收太阳的辐射热,因而降低了小环境内的气温。树木像一台台巨大的抽水机,它不断地把土壤中的水分吸收进树体内,再通过叶片的蒸腾作用把根所吸收水分的绝大多数以水汽的形式扩散到大气间,因而改善、调节了空气中的相对湿度。除此以外,树木王国还能对人类赖依生存的环境起到重要的保护作用。我们知道大风可以增加土壤的蒸发、降低土壤的水分,造成土壤风蚀。严重时形成的沙暴可埋没城镇和农田。可见树木确实是对人类的生命具有相当重要的价值,确实是关系到我们人类生死存亡的大事树木在生长发育靠的是水分和营养输送,树木利用其高度发达的营养体维持着自己这一复杂而又简单的生长过程。

树木的生长分几种形式,有高生长,即由树梢沿主轴向上生长;也有根生长,即土壤深处向下生长;另外树干部分则沿着径向生长,也就是加粗。前一年形成的树干部分到了第二年就不会再进行高生长。如果要把一根铁钉钉在距离地面2米处的树干上,我们会发现过了几年后树木长大了,也变粗了,但那根铁钉的高度却依然还是两米,没有发生任何变化。

树木在生长过程中,有自己一套很完善的运输系统,用来运输水分和养分。从地上接受阳光照射,从地下吸收水源,然后把原料从树根通过树干输送到树叶。再由叶子制造养分,然后将其向下输送,为树木的生长提供条件。

在庞大的树木家族中,有这样一些巨无霸级的树,比如有美国的高于德国佛莱堡大教堂(115米)的巨杉树(122米),也有高于埃及金字塔(137米)的澳大利亚桉树(146米)。另外还有超级年长的树,比如中国的一株银杏树龄达3000年,还有号称美国世界爷的一棵树,树龄竟达7800年。那么对于如此高大、如此年久的树木,它们体内的水、矿物质、可溶性碳水化合物和激素等等是怎样输送的呢?树液是靠什么力量由树根上升到树梢的呢?而营养液又是靠什么力量从叶部运回到根部的呢?那将是一条什么样的运输通道呢?

当然,这也属于流体力学的范畴,要弄清这个问题,我们先来了解一下树干的横切面,它的最外层是树皮(也叫外皮),树皮里边一层是韧皮部(也叫内皮),营养液由叶部输送到树木的其他部分,可全是它的功劳。再向内一层是形成层,它的细胞不断分裂,使树木沿径向生长而不断加粗。再往里是边材和心材,即木质部,木质部中被叫做导管的细胞组织,树液通过它输送到茎和叶部。

绿色的叶子从根系吸收来树木生长所需的水分和矿物质,然后再吸收所需的太阳能,万事俱备之后,便开始光合作用,以此来制造糖类、酸类等有机物,也就是树木的营养液了。从而树木各部的生长、增强、修复组织和繁殖等才得以进行。那么,营养液的输送又是怎么一回事呢?科学家们通过大量的实验,在可靠数据的基础上分析出了如下两个结论:

第一,对树木施行环割实验,发现树木营养液是通过韧皮部的细胞是由上向下直线运输的,也算是长途跋涉了,而细胞间的运输则主要靠胞间连丝进行。

第二,通过对树木施行压力流动模型实验,发现原来流体静压力是树木营养液的流动动力。即净生产细胞(如一片成熟叶)由于光合作用制造大量糖而保持较高的溶质浓度,水便通过渗透作用不断进入净生产细胞,使胞内的流体静压力增加,迫使营养液经过胞间连丝进入韧皮部。而净消费细胞(可以是一个根细胞、一个有代谢作用的细胞,或一个果实细胞)由于呼吸、生长和储藏保持着较低的溶质浓度,胞内流体静压力较低。这样,营养液便沿压力梯度向下运输到根部。

这一点清楚之后,那么营养液在韧皮部的流动的速度又如何呢?据近年来的研究结果表明:韧度部转移营养液的最高速度在阔叶树中是0.4~0.7米/小时,在针叶树中是0.18~0.2米/小时。

基于树木营养液这样的输送速度,对于一株30米高的松树或杨树,营养液由树冠输送到树根的最短时间分别约为7天和1.8天,而对于112米的红杉这样一个庞然大物来说,大约需20多天左右。

水对于大自然,特别对于树木的重要性,无论怎样描述都不为过。在影响树木的存活和分布的众多因素中,水的可利用程度是最重要的一个。这是因为水能使树木的细胞膨胀增长,这样树木才能逐渐生长以及维持一定的形状,气孔也因此才能张开,所以就有了树木的开花和长叶。

树木的根系是它的吸水器官,把水吸取上来后沿从根到叶的木质部向上长途运动。那么,水分做这样长途运动的动力又来自哪里呢?经过研究观察,其动力无外乎根压和蒸腾拉力这两种。

由于树木根系的生理活动从而产生的树液从根部上升的压力就叫做根压。根部的水分靠根压被压到地面上部,土壤中的水分才能不断补充进来,也就是完成了根系吸水过程。这是由根部形成力量引起的主动吸水。但是,经过研究发现根压一般只有0.1~0.2MPa,只能使木质部导管中的水柱升高10~20米,而许多乔木却比这个高度要高得多。

另外一种使树木体内水分上升的动力是树木叶片的蒸腾拉力。蒸腾拉力也称为蒸腾牵引力。是由于植物的蒸腾作用而产生一系列水势梯度,使导管中的水分上升的一种力量。当气孔张开后,气孔下腔附近的叶肉细胞因蒸腾失水,而产生很低的水势,形成-3~-1MPa的负压,所以从相邻细胞夺取水分,失水的细胞又从旁边的另一个细胞取得水分,如此下去,从气孔下腔到叶脉导管,在到叶柄、茎的导管,最后到根系导管之间就形成了一系列的水势梯度,最后引起根系从环境吸收水分。这种力量完全是由于叶片的蒸腾作用而形成的,不需要消耗代谢能,因此认为是一种被动吸水的力量。实验证明,由于枝叶的蒸腾作用,将根系切断或进行麻醉后,仍然可以被动吸水。由于树木的品种不同,水分的运输速度也随之不一样。据研究数据显示,一般阔叶树种中环孔材水分流动速度为25~60米/小时。目前所知,欧洲栎环孔材水分流动速度高达43.6米/小时;散孔材为1~6米/小时;而针叶树材一般为1~2米/小时。

力学无处不在,即使在树木的生长过程中也随处起着重要的作用。以上所说的这些只不过是很小的一部分。虽然随着科学技术的迅猛发展,人们对它的研究已经有了很大的成就,但是仍有很大的未知部分等待人们去研究解决。树木是人类离不开的朋友,还需要进一步彼此增加了解。