德国有一句谚语:“大自然很体贴,不让大树长到天上去。”下面,我们就来看一看,大自然是如何“体贴”大树的。
在正常条件下,一棵普通的树可以牢牢地支持自身的质量。现在,我们假设它的长度和直径都增大到原来的100倍。也就是说,这时候,树干的体积变成了原来的1003倍,也就是1000000倍。这时,它的质量显然也变大到了相同的倍数。我们知道,树干的抗压力与它的截面积成正比,所以它的抗压力只增到原来的1002倍,也就是10000倍。因此,树干每平方厘米截面上受到的负载就是原来的100倍。很明显,如果树干变成这么高后,它的几何形状还保持原来的样子,它就会被自己的质量压倒。所以,对于高大的树木来说,要想保持完整性,它的粗细与高度的比值应该比矮的树木大。但是,树干变粗的结果会使树的质量也相应增加,这样又会增加树干的负载。所以,大树的高度是有极限值的,如果超过了极限值,树干就会被压坏。这就是“不让大树长到天上去”的原因。
图 a是黑麦秆;b是工厂的烟囱;c是假想的140米高的麦秆。
其实,麦秆的强度非常大,这一点常常让我们感到惊奇。以黑麦为例,它的麦秆直径只有3毫米,但是却可以长高到1.5米。在建筑体上的烟囱可能是我们经常能见到的最细最高的建筑物了,一般来说,烟囱的平均直径是5.5米,它的高度可以达到140米(是直径的26倍)。但是,黑麦麦秆的高度与直径的比值达到了500。当然,我们并不是想说,大自然的产物比我们人类的发明创造高明。通过计算可以得出,如果大自然想根据黑麦麦秆的这一关系造出一个高140米的管子,那么它的直径也要在3米左右,才能跟黑麦的麦秆一样结实,如图所示。人类利用科学技术也可以实现。
从很多例子中,我们都可以得出这样的结论:植物高度的增加与它的粗细的增加并不是成一定的比例关系的。比如,黑麦的麦秆(一般高为1.5米)的长度是粗细的500倍;竹竿的长度(一般高为30米)与粗细的比值是130;松树(一般高为40米)的这个比值大概是42;桉树(一般高为130米)就更小了,大概是28……