Поток воды важнее для кораллов, чем свет Часть 4: Основы гидродинамики
Поток воды важнее для кораллов, чем свет Часть 4: Основы гидродинамики
Я начал этот цикл статей с базового введения в механизмы, с помощью которых поток воды влияет на скорость газообмена кораллов. Далее я привел обзор научных работ о взаимодействии водного потока и кораллов, а также свои собственные исследования, демонстрирующие влияние скорости водного потока на скорость дыхания и фотосинтеза кораллов. Моя первая статья о газообмене знакомит с ключевыми моментами гидродинамики малых масштабов применительно к скорости растворения газов. В этой статье я возвращаюсь к теме гидродинамики в более крупном масштабе, чтобы дать читателям понимание общей картины движения воды. Более конкретно, я расскажу о свойствах жидкостей, которые определяют поведение движущейся воды в месте взаимодействия кораллов с окружающей водой. В заключительной части серии статей о движении воды в следующем месяце я подробно расскажу о том, как аквариумисты могут добиться оптимального движения воды в своих аквариумах, используя свойства движущихся жидкостей в своих интересах.
Изображение 1: Форма роста этой Acropora palmata минимизирует сопротивление, и она идеально подходит для жизни в среде с очень сильным течением.
Введение: Что такое гидродинамика?
Изучение того, как на объекты воздействует движущаяся жидкость, называется гидродинамикой. Динамика жидкости также может использоваться для описания частиц, питательных веществ и газов, которые переносятся движущимися жидкостями. Но что на самом деле означает быть жидкостью? Dictionary.com определяет существительное “жидкость” как “1. вещество, жидкость или газ, способное течь и изменяющее свою форму с постоянной скоростью при воздействии силы, стремящейся изменить его форму”. Хотя определение жидкостей включает газы и жидкости, в данном случае речь пойдет о потоке воды. Поэтому я буду использовать термины “вода” и “жидкость” более или менее взаимозаменяемо. Независимо от того, обсуждаем ли мы неподвижный коралл, свободно плавающие растения или плавающих рыб, гидродинамика может помочь нам связать свойства движения воды с образом жизни конкретного водного организма.
Вязкость и инерция
Жидкость может быть описана такими свойствами, как плотность, давление, плавучесть и вязкость. Из них вязкость является наиболее значимым свойством, определяющим поведение жидкости при движении. Вязкость – это сопротивление жидкости изменению формы или сопротивление течению, и ее можно рассматривать как трение жидкости. Вязкость может быть динамической или кинематической, но для наших целей я буду обсуждать движение жидкости только в терминах динамической вязкости, которая является мерой молекулярной липкости (толщины) жидкости. Липкость жидкости обусловлена притяжением молекул, составляющих жидкость. Мед является примером жидкости с очень высокой вязкостью, тогда как чистый спирт – пример жидкости с очень низкой вязкостью. В узком диапазоне температур рифовых аквариумов влияние температуры на вязкость морской воды очень минимально, поэтому при обсуждении гидродинамики в рифовых аквариумах учитывать температуру не критично.
Другим важным фактором, определяющим гидродинамику, является инерция, которая представляет собой сопротивление тела изменению движения. Независимо от того, является ли объект или жидкость неподвижным или движущимся, оба они будут стремиться оставаться неподвижными или продолжать движение. Эффект инерции зависит только от массы, поэтому при увеличении масштаба увеличивается и размер, и масса, и инерция. Поэтому вязкие силы наиболее сильны в малых масштабах, а инерционные силы – в больших. Для копепода морская вода очень липкая, и он немедленно прекратит движение, если перестанет плавать. В этом масштабе вязкость является доминирующей силой. Для кита морская вода оказывает очень малое сопротивление, и он продолжит движение на довольно большое расстояние, если прекратит плавание. В этом масштабе доминирующей силой является инерция. Поскольку свойства вязкости и инерции диктуют поведение движения жидкости, переход от масштаба с преобладанием вязкости к масштабу с преобладанием инерции также знаменует переход от ламинарного к турбулентному потоку.
Иллюстрация 2: Степень перемешивания в толще воды в значительной степени зависит от того, является ли поток ламинарным или турбулентным. Турбулентность увеличивает перемешивание.
Турбулентный и ламинарный поток
Турбулентность уже давно стала характеристикой, которую аквариумисты используют для описания желаемого движения воды в рифовых аквариумах. Проблема с этим описанием заключается в том, что при циркуляции морской воды в объемах, превышающих пробирку, очень трудно создать что-либо, кроме турбулентного потока. Учитывая это, все потоки воды, которые аквариумисты создают в своих аквариумах, можно описать как направленную турбулентность или турбулентный поток, который в основном является ламинарным.
Турбулентный поток характеризуется случайностью, и его принято считать бурным и хаотичным. Ламинарный или обтекаемый поток по сути противоположен турбулентному потоку и характеризуется равномерностью направления движения воды, даже если параллельные линии потока могут двигаться относительно друг друга. Плавное движение ламинарного потока происходит потому, что вязкие силы заставляют параллельные линии потока прилипать друг к другу. В этой ситуации вязкие силы жидкости преобладают над инерционными силами. При увеличении скорости жидкости инерционные силы возрастают, эффект прилипания вязкости гасится, и равномерность ламинарного потока переходит в хаотическое и турбулентное течение.
Аналогичным образом, когда турбулентный поток воды приближается к твердой поверхности, вязкие силы передают трение между потоком воды и поверхностью. Трение вызывает снижение скорости, поэтому поток становится более ламинарным по мере приближения к поверхности. По мере приближения потока воды к твердой поверхности вязкое трение увеличивается, и скорость потока постоянно уменьшается. Тонкий микрослой воды, который находится в контакте с поверхностью, имеет нулевую скорость, он не движется и демонстрирует состояние “отсутствия скольжения”. Область над поверхностью, где характеристики потока воды меняются по типу и скорости, называется пограничным слоем.
Пограничные слои
Пограничный слой описывает фактическую область взаимодействия между поверхностью и жидкостью. Когда пограничный слой определяется типом или скоростью потока, он называется пограничным слоем импульса. Пограничный слой, определяемый типом потока, – это область между поверхностью и точкой, где поток переходит из ламинарного в турбулентный. Пограничный слой импульса также может быть определен по скорости потока воды как область над поверхностью, которая находится в диапазоне от 0% до 99% основного потока. Проще говоря, это область, где поток замедляется. В некоторых случаях пограничный слой может быть более турбулентным, чем ламинарным, поэтому определение пограничного слоя по скорости является предпочтительным. Существует еще один отдельный пограничный слой, который может быть описан в терминах концентрации определенного вещества и называется диффузионным пограничным слоем. Диффузионный пограничный слой (произвольно) определяется как область над поверхностью, которая содержит изменение концентрации определенного вещества. Организмы постоянно поглощают и выделяют вещества со своей поверхности в толщу воды, поэтому концентрация вещества может либо увеличиваться, либо уменьшаться по мере удаления от поверхности.
Независимо от используемого определения, толщина пограничных слоев импульса и диффузии зависит от скорости водного потока. В быстром, турбулентном потоке будет больше перемешивания, и пограничные слои будут тоньше. При медленном, ламинарном потоке перемешивание будет меньше. В зависимости от исследуемых критериев размер пограничного слоя может составлять от миллиметров до метров. Для бентических организмов, таких как кораллы, пограничный слой является наиболее критическим участком движения воды, поскольку он определяет способ питания коралла, силы, которые ему приходится выдерживать, и скорость диффузии, определяющую дыхание и фотосинтез.
Иллюстрация 3: На протяжении всего своего жизненного цикла кораллы вынуждены иметь дело с различными пограничными слоями в окружающей среде.
Последствия пограничного слоя очевидны для каждого, кто когда-либо выращивал фрагмент каменистого коралла. При первом прикреплении маленькие фрагменты коралла растут с умеренной скоростью, но как только они набирают высоту над субстратом, скорость роста, как правило, увеличивается. У каждого из нас был такой фрагмент, который рос ползком, но как только он достигал определенного размера, он выступал за пределы пограничного слоя и затем рос с бешеной скоростью. Как только коралл достигает определенного профиля, он испытывает более турбулентный поток, увеличивая скорость диффузии и максимизируя дыхание и фотосинтез коралла. Это явление хорошо известно коралловодам, которые прикрепляют фрагменты кораллов к выступающим основаниям или подвешивают их в толще воды с помощью струн. Хотя они могут не знать о пограничном слое, эти методы крепления эффективно минимизируют эффекты пограничного слоя и максимально ускоряют рост, подвергая коралловые фрагменты оптимальному потоку.
Число Рейнольда (Re)
Число Рейнольда (Re) используется для соотношения сил вязкости и инерции, чтобы предсказать поведение жидкостей. Я стараюсь исключить как можно больше математики, но знание простого расчета числа Рейнольда с использованием относительных значений может проделать долгий путь к пониманию того, что происходит с потоком воды вокруг кораллов, когда они меняют расширение полипов и колоний. Число Рейнольда (Re) – это отношение инерционных сил к вязким силам, такое, что Re = Инерция/Вязкость. Инерция равна произведению скорости, площади поверхности и плотности, а вязкость измеряется непосредственно.
(Уравнение 1) Re = Инерция / Вязкость
(Уравнение 2) Инерция = Скорость * Поверхность
Площадь поверхности объекта * Плотность
(Уравнение 3) Re = Скорость * Площадь * Плотность / Вязкость
В пределах одной и той же жидкости плотность и вязкость постоянны, поэтому изменения скорости и площади поверхности оказывают наибольшее влияние на число Рейнольда. В ситуации, когда вязкость преобладает над инерцией, возникает ламинарное течение, поскольку вязкость заставляет линии потока прилипать друг к другу. Этот сценарий является примером потока с низким Re. Если увеличить скорость той же жидкости, инерция возьмет верх над вязкостью, что приведет к турбулентному потоку с высоким Re. Кораллы и другие бентические организмы не могут изменить скорость воды, но они могут изменить способ взаимодействия с потоком воды. То, что кораллы не подвижны, не означает, что они беспомощны. В короткие промежутки времени кораллы могут расширять полипы и ткани колонии для увеличения площади поверхности. Когда площадь поверхности увеличивается, значение Re становится больше, и поток становится более турбулентным. Повышенная турбулентность уменьшает локальный пограничный слой и увеличивает скорость диффузии. Аналогичным образом кораллы могут выдвигать и втягивать свои полипы в ту часть пограничного слоя, которая лучше всего подходит для колонии. Если скорость потока воды слишком высока, втягивание полипов в нижние части пограничного слоя уменьшает скорость, снижая значение Re и уменьшая количество турбулентности, которой подвергается коралл. Хотя кораллы в основном полагаются на пассивное существование, они могут активно изменять свою форму и текстуру, чтобы точно настроить свое взаимодействие с окружающим водным потоком.
Иллюстрация 4: Форма объекта может сильно влиять на то, как он взаимодействует с потоком воды.
Тяга, подъемная сила и принцип Бернулли
Тяга и подъемная сила – это силы, возникающие в результате взаимодействия между движением жидкости и поверхностью объектов. Тяга – это сопротивление, возникающее в результате суммы вязкого трения и разницы в давлении. Так же как существует вязкое трение между линиями потока, вязкость также передает трение между жидкостью и объектом, которые движутся относительно друг друга. Сила сопротивления, возникающая под действием давления, в значительной степени зависит от формы объекта, который находится в контакте с потоком воды. Если жидкость соприкасается с поверхностью, которая усиливает турбулентность, то ниже по течению от объекта образуются более мелкие ячейки турбулентного потока, называемые вихрями. Когда образуются вихри, они создают тяговое усилие от отрицательного давления ниже по течению от объекта. Если жидкость соприкасается с поверхностью, которая минимизирует турбулентность, это уменьшает или устраняет образование вихревых потоков вниз по течению. Такая форма называется аэро- или гидродинамической, и она уменьшает эффект сопротивления за счет эффективного отвода и рекомбинации обтекающего потока. Идеальная гидродинамическая форма похожа на каплю; гладкая и округлая вверх по течению с плавным сужающимся концом вниз по течению. Такая форма характерна для быстрых и активных рыб, таких как тунец. Некоторые типы гидродинамических форм создают на объект силу, перпендикулярную направлению потока. Эта перпендикулярная сила называется подъемной и возникает, когда твердая форма поворачивает направление движущейся жидкости. Если направление потока повернуто в одну сторону, то подъемная сила возникает в противоположном направлении. Поперечное сечение крыла самолета – это форма, которая была разработана для максимального увеличения подъемной силы. Подъемная сила также может быть вызвана разностью давлений, обусловленной принципом Бернулли. Если поток проходит над отверстием в поверхности, в отверстии возникает отрицательное давление, что приводит к отсасыванию жидкости. Форма многих животных использует принцип Бернулли, вырабатывая формы, которые оптимизируют пассивное движение воды через их фильтрующие механизмы питания.
Резюме
Вязкость и инерция являются наиболее важными свойствами движения жидкости. Вязкость – это сопротивление жидкости течению, а инерция – это сопротивление тела изменению движения. Отношение инерционных сил к вязким называется числом Рейнольда (Re). При малых масштабах (Re<1), the effect of viscosity dominates and at large scales (Re>1), эффект инерции более важен. Движение движущейся жидкости может быть описано как турбулентное или ламинарное. Турбулентный поток характеризуется как неравномерный по скорости и направлению, в то время как ламинарный поток можно определить как нетурбулентный. Ламинарный поток характеризуется ровными, параллельными линиями движения. При низких скоростях поток воды имеет тенденцию быть ламинарным, а при более высоких скоростях поток воды имеет тенденцию становиться турбулентным. Поскольку скорость жидкости включается в расчет числа Рейнольда, по значению Re можно предсказать переход от ламинарного к турбулентному потоку. Движение жидкости может разбиваться на более мелкие ячейки турбулентного потока, называемые вихрями. Если образование вихрей происходит в результате контакта движения жидкости с объектом, вихри будут создавать силу тяги, называемую сопротивлением. Если ламинарный поток перенаправляется поверхностью, то на поверхность действует перпендикулярная сила, называемая подъемной.
Ссылки
- Фогель, С. 1994. Жизнь в движущихся жидкостях. Princeton University Press, Princeton, NJ
- Записи в Википедии о гидродинамике, числе Рейнольда и пограничных слоях.
- Зингмарк, Ричард. “Жизнь в жидкой среде (гидродинамика)”. Морская экология 575. Университет Южной Каролины, Колумбия. Октябрь 2005 года.
Source: reefs.com
