Потік води для коралів важливіший за світло Частина 4: Основи гідродинаміки
Я почав цю серію статей з базового вступу до механізмів, за допомогою яких потік води впливає на швидкість газообміну коралів. Після вступу я зробив огляд наукових праць про взаємодію водного потоку і коралів, а також власних досліджень, що демонструють вплив швидкості водного потоку на швидкість дихання і фотосинтезу коралів. Моя перша стаття про газообмін знайомить з ключовими моментами гідродинаміки малого масштабу в застосуванні до швидкості розчинення газів. У цій статті я повертаюся до теми гідродинаміки у більш широкому масштабі, щоб дати читачам загальне уявлення про загальну картину руху води. Зокрема, я розповім про властивості рідин, які визначають поведінку рухомої води в місці взаємодії коралів з навколишнім середовищем. У заключній частині серії статей про рух води наступного місяця я розповім про те, як акваріумісти можуть створити оптимальний рух води у своїх акваріумах, застосовуючи властивості рухомих рідин з користю для себе.
Зображення 1: Форма росту цієї Acropora palmata зводить до мінімуму опір, і вона ідеально підходить для життя в середовищі з дуже сильною течією.
Вступ: Що таке гідродинаміка?
Вивчення того, як на об’єкти впливає рухома рідина, називається гідродинамікою. Гідродинаміка також може бути використана для опису частинок, поживних речовин і газів, які переносяться рухомими рідинами. Але що насправді означає бути рідиною? Dictionary.com визначає іменник рідина як “1. речовина, як рідина або газ, яка здатна текти і яка змінює свою форму з постійною швидкістю, коли на неї діє сила, що прагне змінити її форму”. Хоча визначення флюїдів включає гази і рідини, ця дискусія стосується потоку води. Тому я буду використовувати терміни “вода” і “рідина” більш-менш взаємозамінно. Незалежно від того, чи обговорюємо ми нерухомий корал, вільно плаваючі рослини або плаваючу рибу, гідродинаміка може допомогти нам пов’язати властивості руху води зі способом життя конкретного водного організму.
В’язкість та інерція
Рідина може бути описана властивостями густини, тиску, плавучості та в’язкості. З них в’язкість є найбільш значущою властивістю, що визначає поведінку руху рідини. В’язкість – це опір рідини зміні форми або опір течії, і її можна розглядати як тертя рідини. В’язкість може бути динамічною або кінематичною, але для наших цілей я буду обговорювати рух рідини тільки з точки зору динамічної в’язкості, яка є мірою молекулярної липкості (густини) рідини. Липкість рідини викликана притяганням молекул, які складають рідину. Мед може бути прикладом рідини з дуже високою в’язкістю, тоді як чистий спирт є прикладом рідини з дуже низькою в’язкістю. У вузькому діапазоні температур рифових акваріумів вплив температури на в’язкість морської води дуже мінімальний, тому не критично враховувати температуру при обговоренні гідродинаміки в рифових акваріумах.
Іншим важливим фактором, що визначає гідродинаміку, є інерція, тобто опір тіла зміні руху. Незалежно від того, чи є об’єкт або рідина нерухомими або рухомими, вони будуть прагнути залишатися нерухомими або продовжувати рухатися. Ефект інерції залежить виключно від маси, тому при збільшенні масштабу збільшуються і розмір, і маса, і інерція. Тому в’язкі сили найсильніші в малих масштабах, а сили інерції найсильніші у великих масштабах. Для копеподу морська вода дуже липка, і він негайно припинить рух, якщо перестане плавати. У цьому масштабі в’язкість є домінуючою силою. Для кита морська вода чинить дуже малий опір, і він буде продовжувати рухатися на досить велику відстань, якщо перестане плавати. На цьому рівні домінуючою силою є інерція. Оскільки властивості в’язкості та інерції визначають поведінку руху рідини, перехід від шкали з домінуванням в’язкості до шкали з домінуванням інерції також знаменує перехід від ламінарного до турбулентного потоку.
Ілюстрація 2: Ступінь перемішування в товщі води в значній мірі залежить від того, чи є потік ламінарним або турбулентним. Турбулентність збільшує перемішування.
Турбулентна і ламінарна течія
Турбулентність вже давно є характеристикою, яку акваріумісти використовують для опису бажаного руху води в рифових акваріумах. Проблема з цим описом полягає в тому, що при циркуляції морської води в об’ємах, більших за пробірку, дуже важко створити щось інше, окрім турбулентного потоку. Маючи це на увазі, весь потік води, який акваріумісти створюють у своїх акваріумах, буде описаний як спрямована турбулентність або турбулентний потік, який здебільшого є ламінарним.
Турбулентний потік характеризується випадковістю і, як правило, вважається грубим і хаотичним. Ламінарний або обтічний потік в основному протилежний турбулентному потоку і характеризується рівномірністю напрямку руху води, хоча паралельні лінії потоку можуть рухатися відносно одна одної. Плавний рух ламінарного потоку відбувається тому, що в’язкі сили змушують паралельні потоки злипатися один з одним. У цій ситуації в’язкі сили рідини переважають над силами інерції. При збільшенні швидкості руху рідини інерційні сили будуть зростати, злипаюча дія в’язкості буде гаситися і рівномірність ламінарного потоку буде переходити в хаотичну і турбулентну течію.
Аналогічно, коли турбулентний потік води наближається до твердої поверхні, в’язкі сили передають тертя між потоком води і поверхнею. Тертя викликає зменшення швидкості, так що потік стає більш ламінарним, коли він наближається до поверхні. Коли потік води наближається до твердої поверхні, в’язке тертя збільшується і швидкість потоку постійно зменшується. Тонкий мікрошар води, який контактує з поверхнею, має нульову швидкість, він не рухається і має стан “нековзання”. Область над поверхнею, де характеристики потоку води змінюються за типом і швидкістю, називається пограничним шаром.
Пограничні шари
Пограничний шар описує фактичну область взаємодії між поверхнею і рідиною. Коли пограничний шар визначається типом або швидкістю потоку, він називається імпульсним пограничним шаром. Імпульсний пограничний шар, визначений типом течії, – це область між поверхнею і точкою, де потік змінюється з ламінарного на турбулентний. Імпульсний пограничний шар також може бути визначений за швидкістю потоку води як область над поверхнею, яка знаходиться в діапазоні від 0% до 99% основного потоку. Простіше кажучи, це область, де потік сповільнюється. У деяких випадках прикордонний шар може бути більш турбулентним, ніж ламінарний, тому визначення прикордонного шару в термінах швидкості є кращим. Існує ще один окремий пограничний шар, який може бути описаний в термінах концентрації певної речовини, який називається дифузійним пограничним шаром. Дифузійний прикордонний шар (довільно) визначається як область над поверхнею, яка містить зміну концентрації певної речовини. Організми постійно поглинають і виділяють речовини зі своїх поверхонь у товщу води, тому концентрація речовини може або збільшуватися, або зменшуватися в міру віддалення від поверхні.
Незалежно від використовуваного визначення, товщина імпульсного та дифузійного пограничних шарів залежить від швидкості потоку води. У швидкому, турбулентному потоці буде більше перемішування і прикордонні шари будуть тоншими. При повільній, ламінарній течії перемішування буде меншим. Залежно від критеріїв, що розглядаються, розмір прикордонного шару може становити від міліметрів до метрів. Для придонних організмів, таких як корали, прикордонний шар є найбільш критичною областю руху води, оскільки він визначає, як корал харчується, сили, які він повинен витримати, і швидкість дифузії, яка керує диханням і фотосинтезом.
Ілюстрація 3: Протягом свого життєвого циклу корали повинні мати справу з різними пограничними шарами у своєму середовищі.
Наслідки прикордонного шару очевидні для кожного, хто коли-небудь вирощував фрагмент кам’янистого корала. При першому прикріпленні невеликі фрагменти коралів мають тенденцію рости з помірною швидкістю, але як тільки вони набирають висоту над субстратом, швидкість росту має тенденцію збільшуватися. У кожного з нас був такий фрагмент, який ріс повзучим темпом, але як тільки він досягав певного розміру, він виступав за межі прикордонного шару, а потім ріс зі швидкістю зламаної шиї. Як тільки корал досягає певного профілю, він відчуває більш турбулентний потік, збільшуючи швидкість дифузії і максимізуючи дихання і фотосинтез коралів. Це явище добре відоме кораловим фермерам, які прикріплюють фрагменти коралів до виступаючих основ або підвішують їх у товщі води за допомогою ниток. Хоча вони можуть не знати про прикордонний шар, ці методи кріплення ефективно мінімізують вплив прикордонного шару, і це максимізує ріст, піддаючи фрагменти коралів оптимальному потоку.
Число Рейнольдса (Re)
Число Рейнольдса (Re) використовується для зв’язку сил в’язкості та інерції, щоб передбачити, як будуть поводитися рідини. Я намагаюся виключити якомога більше математики, але знаючи простий розрахунок числа Рейнольдса з використанням відносних значень, можна пройти довгий шлях до розуміння того, що відбувається з потоком води навколо коралів, коли вони змінюють розширення поліпів і розширення колонії. Число Рейнольдса (Re) – це відношення сил інерції до сил в’язкості, тобто Re = Інерція/В’язкість. Інерція дорівнює добутку швидкості, площі поверхні та густини, а в’язкість вимірюється безпосередньо.
(Рівняння 1) Re = Інерція / В’язкість
(Рівняння 2) Інерція = Швидкість * Поверхня
Площа об’єкта * Густина
(Рівняння 3) Re = Швидкість * Площа * Щільність / В’язкість
В межах однієї і тієї ж рідини густина і в’язкість є постійними, тому зміни швидкості і площі поверхні мають найбільший вплив на число Рейнольдса. У ситуації, коли в’язкість домінує над інерцією, виникає ламінарна течія, оскільки в’язкість призводить до злипання ліній течії одна з одною. Цей сценарій є прикладом течії з низьким числом Рейнольдса. Якщо збільшити швидкість тієї ж самої рідини, то інерція переважатиме над в’язкістю, і це призведе до турбулентної течії з високим Re. Корали та інші придонні організми не можуть змінити швидкість води, але вони можуть змінити спосіб взаємодії з водним потоком. Те, що корали не рухливі, не означає, що вони безпорадні. За короткий проміжок часу корали можуть розширювати поліпи та колоніальну тканину, щоб збільшити площу поверхні. Коли площа поверхні збільшується, значення Re збільшується і потік стає більш турбулентним. Підвищена турбулентність зменшує локальний прикордонний шар і збільшує швидкість дифузії. Аналогічно, корали можуть витягувати і втягувати свої поліпи в ту частину прикордонного шару, яка найкраще підходить для колонії. Якщо швидкість водного потоку занадто висока, втягування поліпів у нижню частину пограничного шару зменшує швидкість, знижуючи значення Re і зменшуючи кількість турбулентності, якій піддаються корали. Хоча корали в основному покладаються на пасивне існування, вони можуть активно змінювати свою форму і текстуру для того, щоб точно налаштувати свою взаємодію з потоком води навколо них.
Ілюстрація 4: Форма об’єкта може мати великий вплив на те, як він взаємодіє з потоком води.
Перетягування, підйом і принцип Бернуллі
Опір і підйомна сила – це сили, які виникають в результаті взаємодії руху рідини з поверхнею предметів. Опір – це опір, який є результатом суми в’язкого тертя і різниці тисків. Подібно до того, як існує в’язке тертя між лініями потоку, в’язкість також передає тертя між рідиною і об’єктом, які рухаються відносно один одного. Сила опору, яка створюється тиском, в значній мірі залежить від форми об’єкта, який контактує з потоком води. Якщо рідина контактує з поверхнею, яка збільшує турбулентність, нижче за течією від об’єкта виникають менші осередки турбулентного потоку, які називаються вихорами. Коли завихрення утворюються, вони створюють виштовхуючу силу від негативного тиску нижче за течією об’єкта. Якщо рідина контактує з поверхнею, яка мінімізує турбулентність, це зменшить або усуне утворення вихорів нижче за течією. Цей тип форми називається аеро- або гідродинамічним, і він зменшує ефект опору за рахунок ефективного відводу і рекомбінації обтічного потоку. Ідеальна гідродинамічна форма схожа на сльозу; гладка і закруглена вгору за течією з плавним звуженням вниз за течією. Це поширена форма швидких і активних риб, таких як тунець. Деякі типи гідродинамічних форм генерують силу на об’єкт, яка перпендикулярна до напрямку течії. Ця перпендикулярна сила називається підйомною і виникає, коли тверда форма змінює напрямок руху рідини. Якщо напрямок потоку повернутий в одну сторону, то підйомна сила виникає в протилежному напрямку. Поперечний переріз крила літака має форму, яка була розроблена для максимізації підйомної сили. Підйомна сила також може бути викликана різницею тиску, викликаною принципом Бернуллі. Якщо обтічний потік проходить через отвір у поверхні, в отворі виникає від’ємний тиск, що призводить до висмоктування рідини. Багато тварин користуються перевагами принципу Бернуллі, вирощуючи форми, які оптимізують пасивний рух води через їх фільтруючі механізми живлення.
Підсумок
В’язкість та інерція є найважливішими властивостями руху рідини. В’язкість – це опір рідини течії, а інерція – це опір тіла зміні руху. Відношення сил інерції до сил в’язкості називається числом Рейнольдса (Re). У малих масштабах (Re1), ефект інерції є більш важливим. Рух рухомої рідини можна описати як турбулентний або ламінарний. Турбулентний потік характеризується як нерівномірний за швидкістю та напрямком, тоді як ламінарний потік може бути визначений як нетурбулентний. Ламінарний потік характеризується рівномірними, паралельними лініями руху. При менших швидкостях потік води має тенденцію бути ламінарним, а при більших швидкостях потік води має тенденцію ставати турбулентним. Оскільки швидкість рідини включається в розрахунок числа Рейнольдса, значення Re може передбачити перехід від ламінарного до турбулентного потоку. Рух рідини може розбиватися на більш дрібні осередки турбулентного потоку, які називаються вихорами. Якщо утворення вихорів відбувається від контакту руху рідини з об’єктом, то вихори будуть створювати силу тяги, яка називається лобовим опором. Якщо ламінарний потік перенаправляється поверхнею, на поверхню діє перпендикулярна сила, яка називається підйомною силою.
Список використаних джерел
- Фогель, С. 1994. Життя в рухомих рідинах. Princeton University Press, Princeton, NJ
- Статті у Вікіпедії про гідродинаміку, число Рейнольдса та прикордонні шари.
- Зінгмарк, Річард. “Життя в рідкому середовищі (гідродинаміка)”. Морська екологія 575. Університет Південної Кароліни, Колумбія. Жовтень 2005 року.
Source: reefs.com