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为什么竹子长得这么快?

从能量的观点上来看,为什么竹子长得这么快?

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空一格,将来多搞科普,逐渐淡出政治话题
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材料力学里有一个现象,叫做:尺度效应

学术表达比较难以说得清。

直观的理解就是:具有微米、纳米尺寸结构的材料,比同等质量的 体材料,强度要高。

什么是 体材料?比如一块实心铁,它就是一种体材料。

大家常听说,碳纳米管的强度比钢还要强,有人说因为碳米管强度足够大,可以用来建一个地面到太空的梯子。

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或者再举个例子。

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这种内部带网格的材料,单位质量能够承受的载荷,比一块实心的材料要大得多。

(什么是载荷?可以理解为拉、压力)

尺度效应的根本原因是:材料内部形成了很多表面,比表面积远大于实心体材料,而表面的强度往往要大于实心体材料

(什么是比表面?包含的所有内部表面的面积总和,除以宏观体积)

扯了这么多,回到竹子。

竹子是空心的,竹子的比表面积远大于普通木材。

实际上,竹子不光在肉眼可见的厘米层级可以看到是空心的,它酿的在纳米尺度下,其内部也是空得多。

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竹子扫描电镜
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木材扫描电镜

所以,竹子说白了,它就是一种典型的具有强大「尺度效应」的材料,它具有很高的比表面积。

竹子的生长,不论是从宏观上还是从微观上,都是一堆「表面」在扩大。而不是实体的壮大。

宏观上看它只是一个环形的管子。微观上看,它也是一堆环形的管子

所以,从总质量的增长角度看,竹子未必比别的树木强;但是从高度上,它比别的树木强多了。

正是由于竹子有很大的强度,能够轻易支撑起自重,所以可以用横截面积较小的空心结构,实现将光合作用产生的有限材料,尽量在纵向向上堆叠。

而且,由于竹子在高度上有优势,所以能够不被遮挡,得以享受更多的阳光资源,从这个角度它也可能长得更快一些。

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再补充一点,竹结

如果没有竹结,想像一根很长的吸管,是不是很容易变形,然后一下之就塌了。我们称之为失稳

失稳就是当载荷超过失稳临界点时,材料突然一下全面失效的现象。

越细长的东西越容易失稳。反之,越短粗越不容易失稳。

而竹结的存在,使得竹子由原本一根不稳的长管子,变成了很多段不会失稳的短管子。

很多双子塔都有一道横向连接,可以大大增加建筑物的抗失稳强度(当然,按照设计,建筑物是不会失稳的。但是摩天大厦会摆动)。同时也是为了便利交通。

竹子的竹结也起到这种横向连接的作用。

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- 我以前论证过,竹子几乎是我国特有的物种(世界上绝大多数的竹子产于我国)。

- 我国古人因为有竹子,容易加工成扁担,这可能是我国古代就具有强大基建能力的原因。别的文明基本都是用头顶,我们是用肩挑。早期工具简单,用木头做成扁担难度挺大的,跟现代社会没法比。

- 由于竹子容易加工成片状竹简,可能因此我国古人较早使用了软笔书写文字,早期文化得以较为便利的传播。而世界其他地方只能用不便利的硬物在泥板上刻画(注意:甲骨文是祭祀用的,不是日常书写和记录用的。)


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