为什么树木以同样的风速折断?

Question

有几个人独立地向我提到，所有的树都是以相同的风速折断的。这种现象与树的类型和大小无关。据说，伽利略已经描述了这种现象之一他的书．我想风速大概是每小时150公里。我只是不明白是什么原因导致这种行为适用于所有大小和类型的树木。

Answer 1

为什么树木以同样的风速折断?

图片来源:维基共享

请注意，在上图中，几乎所有的树都被折断了。这一说法是关于树木被折断成两半，而不是关于树木倒下或被连根拔起。

这一说法对许多种类的树木都大致有效。显然橡树比松树能承受稍高的风速。这种说法不适用于棕榈树等非木质树木。对于那些进化到可以生活在风速偶尔超过42米/秒(相当于二级飓风)的地区的木质树木来说，这也是不正确的。

我只是不明白是什么原因导致这种行为适用于所有大小和类型的树木。

最近一篇关于这一主题的论文的作者将其归因于进化。虽然在大多数地方，风速经常超过30米/秒(126公里/小时)，但很少超过50米/秒(180公里/小时)。树木承受风的最佳能力就在这两个极限之间。太脆弱的树会被大风刮断，活不到成熟，也不会产生后代。一棵过于坚固的树正在浪费宝贵的能量建造不必要的结构。

至于原因和方式，这是异速计量学的问题。树木的周长随着年龄的增长而增大，树冠也随之增大。树的异速生长研究树胸围与树的其他特征(如高度和冠层面积)之间的关系。周长与冠层面积呈线性关系。

另一个因素是缺陷，也就是树木最有可能折成两半的地方。这些缺陷的程度也随尺寸的增加而增加。幼树失去了细小的树枝;幼树最终围绕着这些缺陷生长，随着年龄的增长，这个小缺陷被深埋在树的内部。老树失去了更大的树枝，留下了潜在的更大的缺陷。

引用:

树木折断的临界风速。

不论大小，树木都在相同的风速下折断。这是为什么。

城市树数据库和异速生长方程。

Answer 2

正如另一个答案所指出的，这很可能是一种进化适应，它平衡了坚固性和不必要的过度设计。从物理角度看，树的断裂强度相对恒定与异速生长，即树木生长过程中各比例之间的关系。幼树又短又细，折断力相对较小，但由于体积小，不需要承受很大的风切变。随着树冠越来越大，它必须承受来自强风的更大力量，但之所以能够这样做，是因为它的树干/四肢更粗。因为树木的强度随着它所需要承受的力的大小而增长，所以在不同大小/类型的树木中，折断一棵树所需的风速或多或少是恒定的。一棵两倍大的树可能会感受到两倍的风切变，但它也有两倍的强度。

Answer 3

一般的说法似乎是不正确的:

这种现象与树的类型和大小无关。

根据其他答案，围绕这个问题的说法似乎是，树的规模并不重要。例如，David Hammon的回答中引用的sciencemag.org文章谈到了围绕不同厚度的木材进行的实验:

人们可能会凭直觉认为，他们发现在一定长度内，增加直径会使棒材更结实……这解释了树的大小参数之间的关系，如直径和高度

所以树的大小并不重要。然而，那篇文章没有提到木材的成分，这需要完全不同类型的实验。此外，主要的主张是:

无论树木的直径、高度或弹性如何，在风速达到42米/秒(94英里/小时)之前，树木都不会折断。

请注意，这并不是说没有树可以忍受超过这个速度而不断裂，只是说这是下限。

这景观美化网站这家位于佛罗里达州棕榈滩的公司拥有大量的树种和对大风的耐受力。它有一长串的参考文献，但经常提到这个特定的研究:风和树:安德鲁飓风后对房主的调查

在这方面，有许多树木在超过94英里/小时的风速下幸存下来的证实案例。据记载，一些动物在高达150英里每小时的风速中幸存下来。请注意，虽然存活与树干被折断不同，但我认为我们可以安全地假设，如果一棵树幸存下来，它的树干就没有被折断。除非有人能拿出证据证明这项大学研究存在某种缺陷，否则我认为我们可以很好地说，不同种类的树木对风的耐受能力不同。

这可能是真的，在温带地区，高风速是非常罕见的，所有的树都能忍受大致相同的速度，树的大小真的不重要。但如果你看看那些飓风级别的风更常见的地区，以及那些已经适应了这些风暴的本地植物，这种说法似乎在证据面前站不住脚。

以下是上面提到的研究的具体摘录，它们明确地反驳了所有物种的树干都会被时速94英里的风折断的说法:

街道上、公园里、后院里的树木被狂风刮掉了树枝、连根拔起或折断持续风速145英里/小时

(强调我的)

我想我们都同意145英里每小时的持续风速不是大约94英里每小时。这一点都不接近。

原生树木。本地树种比外来树种在飓风中存活得更好;卡方分析显示，飓风过后，34%的外来树木仍在站立，而66%的本土树木仍在站立(n21/1 p<0.0001)。

论文还限定了站立/倒下的含义:

树是怎么倒的?当树木倒下时，它们要么被连根拔起，要么被树干折断，要么两者兼有(表2)。

由此我得出结论，“站立”的意思是“躯干未断”。以下关于活橡树的说明似乎证实了这一点:

在卡米尔飓风(1969年)和弗雷德里克飓风(1979年)(1,6)之后，活橡树被放置在抗风列表的顶端。众所周知，活橡树的木材非常坚固和有弹性(1)。在我们的研究中，我们将少数失败的活橡树连根拔起茎部未断。

(强调我的)

它甚至对“大小不是一个因素”的说法提出了质疑，并指出在其他研究中也发现了这一点:

同一物种中较大的树木比较小的树木更容易倒下。例如，倒下的皇家棕榈树的平均高度为15米，而站立的皇家棕榈树的平均高度为10米。倒下的湿地松平均高20米，直径53厘米，站立的松树分别为17米和45厘米。对于这种大小失败的关系，我们生活在橡树和粉色小号之间，很少有例外。对森林的其他研究表明，直径和高度较大的树木更容易被飓风破坏

最后，本文给出了为什么一些树木可以忍受更高风速的假设:

本地双耳鹬比外来双耳鹬更能忍受大风。这并不奇怪，因为南佛罗里达的原生树木长期以来都受到飓风的影响，为抵御风提供了自然选择。

Answer 4

现在已经有了一些很好的答案，但它们都是在孤立地研究一棵树，就像把一棵树放在风洞里看它会不会折断一样。并不是所有的树木都是这样处理风的。

在我所习惯的纬度，也就是欧洲的温带气候，最快的风吹过高地，那里经常是连绵不断的森林。森林里的树木互相保护，不受风的影响;大面积的空地或其他不自然的森林边缘可能会成为脆弱性。

风的影响当然不仅取决于风速，还取决于相对于地形特征的风向和各种脆弱性，包括空地、人工种植到比它们进化的地方更高海拔的不合适的树木品种，或者可能是一些灾难性的疾病。能刮断任何树木的异常强风根本就不稳定，我也不知道有什么有意义的研究是关于在森林里开始刮断树木的阵风速度的;我们只知道森林被摧毁的几个小时内该地区的一般风速。

我的观点是:一旦许多树木因为任何原因开始折断，其他附近的树木，以及任何顺风的树木，开始失去它们通常的物理保护．这意味着局部风速加快，逐渐扩大到破坏大片森林区域。一些特别强壮的树木可能会存活下来，但如果这种树木很好地适应了茂密的森林，那么它很少能在被破坏的森林中幸存下来，即使是100年一遇的大风。

树种之间有差异。灌木松树可以在任何直立树木都无法想象的风速下生存。

你们中的一些人可以做一个实验。在一个或多或少裸露的花园里种上一排苹果树和一排云杉，在接下来的100年里数一数被折断的树。在你去的过程中替换任何因年龄或疾病而死亡的树木。(云杉喜欢森林的保护。苹果树喜欢充足的阳光。建议的实验从一开始就对云杉有偏见;但云杉也会很快长得超过苹果树，在风中得到更多的暴露，使实验进一步偏离。)虽然我还没有完成前100年的研究，也没有达到任何统计显著性的水平，但我的初步结果表明，裸露的云杉似乎比裸露的苹果树折断得更频繁。

这个实验的非自然性让我得出了这个结论。树木生长的条件通常是它们一生都能抵御风。如果这需要一片森林，好吧，它们会在森林里茁壮成长。如果偶尔有一场异常的风吹倒了整片森林，这些树种最终可以在该地区重新生长，但前提是它们的竞争对手也被吹倒了，所以保持在竞争对手的寿命附近是有好处的。

Answer 5

另外一个重要的因素是，应力(和损伤)不是线性的。一个非常基本的概念是能量等于速度的平方。但Prahl et. al. 2008包括对风损害理论和两个典型理论的一些回顾:

1. 风荷载，与施加的压力大致成正比，因此与风速的平方成正比(例如Simiu和Scanlan, 1996);
2. 结构损伤和风动能耗散率之间的比例概念，与风速的三次方成比例(最近:Emanuel, 2005;鲍威尔和莱因霍尔德，2007年;Kantha, 2008)。

然后补充说:

特别是，三次关系的概念得到了对保险记录的实证分析的支持，这些记录似乎根据所审查的风暴表现出三次或四次行为(Munich Re, 1993,2001)。然而，最近的文献提供了证据，证明暴风雨保险损失与阵风速度有更强的增加(Huang等，2001;Heneka和Ruck, 2008)。对于我们在这里使用的保险数据集，Prahl等人(2012)发现了一个幂律，其区域变化的指数大约在8到12之间。

因此，无论确切的关系是什么，显然有基本的物理原因导致撞击的速度比直接数字本身所暗示的要快得多，所以把150公里/小时(93英里/小时)对140公里/小时(85英里/小时)想象成100公里/小时(62英里/小时)对90公里/小时(56英里/小时)是我们经常面临的一个缺陷……更有意义的是，会有一个相对狭窄的临界点，就像疾病爆发一样，就像我们在不同地区/国家的COVID感染比较中看到的那样。