A fák növekedésének egy modelljéről

Hasonló dokumentumok
Ellipszis átszelése. 1. ábra

Egy kinematikai feladathoz

Forogj! Az [ 1 ] munkában találtunk egy feladatot, ami beindította a HD - készítési folyamatokat. Eredményei alább olvashatók. 1.

Lövés csúzlival. Egy csúzli k merevségű gumival készült. Adjuk meg az ebből kilőtt m tömegű lövedék sebességét, ha a csúzlit L - re húztuk ki!

Felső végükön egymásra támaszkodó szarugerendák egyensúlya

Az elliptikus hengerre írt csavarvonalról

Végein függesztett rúd egyensúlyi helyzete. Az interneten találtuk az [ 1 ] munkát, benne az alábbi érdekes feladatot 1. ábra. Most erről lesz szó.

Ellipszis vezérgörbéjű ferde kúp felszínének meghatározásához

Rugalmas láncgörbe alapvető összefüggések és tudnivalók I. rész

Kerekes kút 2.: A zuhanó vödör mozgásáról

Egy nyíllövéses feladat

A kötélsúrlódás képletének egy általánosításáról

Egy forgáskúp metszéséről. Egy forgáskúpot az 1. ábra szerint helyeztünk el egy ( OXYZ ) derékszögű koordináta - rendszerben.

Egy geometriai szélsőérték - feladat

Egy mozgástani feladat

Poncelet egy tételéről

Fa rudak forgatása II.

Egy kérdés: merre folyik le az esővíz az úttestről? Ezt a kérdést az után tettük fel magunknak, hogy megláttuk az 1. ábrát.

5. fejezet. Differenciálegyenletek

Egy sík és a koordinátasíkok metszésvonalainak meghatározása

A konfokális és a nem - konfokális ellipszis - seregekről és ortogonális trajektóriáikról

Ellipszis perspektivikus képe 2. rész

Egy gyakorlati szélsőérték - feladat. 1. ábra forrása: [ 1 ]

A bifiláris felfüggesztésű rúd mozgásáról

Szabályos fahengeres keresztmetszet geometriai jellemzőinek meghatározása számítással

A lengőfűrészelésről

Egy kinematikai feladat

Két körhenger általánosabban ( Alkalmazzuk a vektoralgebrát! ) 1. ábra

Henger és kúp metsződő tengelyekkel

A Cassini - görbékről

Az R forgató mátrix [ 1 ] - beli képleteinek levezetése: I. rész

Kecskerágás már megint

A gúla ~ projekthez 2. rész

Az éjszakai rovarok repüléséről

w u R. x 2 x w w u 2 u y y l ; x d y r ; x 2 x d d y r ; l 2 r 2 2 x w 2 x d w 2 u 2 d 2 2 u y ; x w u y l ; l r 2 x w 2 x d R d 2 u y ;

Fiók ferde betolása. A hűtőszekrényünk ajtajának és kihúzott fiókjának érintkezése ihlette az alábbi feladatot. Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

Az eltérő hajlású szarufák és a taréjszelemen kapcsolatáról 1. rész. Eltérő keresztmetszet - magasságú szarufák esete

További adalékok a merőleges axonometriához

Egy másik érdekes feladat. A feladat

Fénypont a falon Feladat

Egy érdekes mechanikai feladat

Egy újabb térmértani feladat. Az [ 1 ] könyvben az interneten találtuk az alábbi érdekes feladatot is 1. ábra.

Egy ismerős fizika - feladatról. Az interneten találtuk az [ 1 ] könyvet, benne egy ismerős fizika - feladattal 1. ábra.

Rönk kiemelése a vízből

Az elforgatott ellipszisbe írható legnagyobb területű téglalapról

A Lenz - vektorról. Ha jól emlékszem, először [ 1 ] - ben találkoztam a címbeli fogalommal 1. ábra.

Rönk mozgatása rámpán kötelekkel

A hordófelület síkmetszeteiről

A főtengelyproblémához

Befordulás sarkon bútorral

Néhány véges trigonometriai összegről. Határozzuk meg az alábbi véges összegek értékét!, ( 1 ) ( 2 )

Érdekes geometriai számítások 10.

Az egyenes ellipszishenger ferde síkmetszeteiről

Egy újabb látószög - feladat

A fűrészmozgás kinetikai vizsgálata

Egy sajátos ábrázolási feladatról

Egy érdekes statikai feladat. Az interneten találtuk az [ 1 ] művet, benne az alábbi feladattal.

Két naszád legkisebb távolsága. Az [ 1 ] gyűjteményben találtuk az alábbi feladatot és egy megoldását: 1. ábra.

Egy felszínszámítási feladat a tompaélű fagerendák témaköréből

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

Egy érdekes statikai - geometriai feladat

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

A szabályos sokszögek közelítő szerkesztéséhez

Síkbeli csuklós rúdnégyszög egyensúlya

Feladatok Differenciálegyenletek II. témakörhöz. 1. Határozzuk meg a következő elsőrendű lineáris differenciálegyenletek általános megoldását!

A kvadratrixról. Ez azt jelenti, hogy itt a görbe egy mozgástani származtatását vesszük elő 1. ábra. 1. ábra

A Kepler - problémáról. Megint az interneten találtunk egy szép animációt 1. ábra, amin elgondolkoztunk: Ezt hogyan oldanánk meg? Most erről lesz szó.

A brachistochron probléma megoldása

A gúla ~ projekthez 1. rész

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Az ötszög keresztmetszetű élszarufa kis elmozdulásainak számításáról

A manzárdtetőről. 1. ábra Forrás: of_gambrel-roofed_building.

Egy kétszeresen aszimmetrikus kontytető főbb geometriai adatainak meghatározásáról

T s 2 képezve a. cos q s 0; 2. Kötélstatika I. A síkbeli kötelek egyensúlyi egyenleteiről és azok néhány alkalmazásáról

Egy általánosabb súrlódásos alapfeladat

A felcsapódó kavicsról. Az interneten találtuk az alábbi, a hajítás témakörébe tartozó érdekes feladatot 1. ábra.

Keresztezett pálcák II.

A loxodrómáról. Előző írásunkban melynek címe: A Gudermann - függvényről szó esett a Mercator - vetületről,illetve az ezen alapuló térképről 1. ábra.

Egy érdekes nyeregtetőről

Egy kötélstatikai alapfeladat megoldása másként

Vontatás III. A feladat

Ehhez tekintsük a 2. ábrát is! A födém és a fal síkját tekintsük egy - egy koordinátasíknak, így a létra tömegközéppontjának koordinátái: ( 2 )

Egy csonkakúp alakú farönk behajlása a saját súlya alatt

Tető - feladat. Az interneten találtuk az [ 1 ] művet, benne az alábbi feladatot és végeredményeit ld. 1. ábra.

Egy újabb cérnás feladat

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

A térbeli mozgás leírásához

Kosárra dobás I. Egy érdekes feladattal találkoztunk [ 1 ] - ben, ahol ezt szerkesztéssel oldották meg. Most itt számítással oldjuk meg ugyanezt.

Érdekes geometriai számítások Téma: A kardáncsukló kinematikai alapegyenletének levezetése gömbháromszögtani alapon

Kiegészítés a három erő egyensúlyához

t, u v. u v t A kúpra írt csavarvonalról I. rész

A tűzfalakkal lezárt nyeregtető feladatához

így a megváltozott hossza: tehát: ( 1 )

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

A magától becsukódó ajtó működéséről

A fa hordók geometriájáról

28. Nagy László Fizikaverseny Szalézi Szent Ferenc Gimnázium, Kazincbarcika február 28. március osztály

Átírás:

1 A fák növekedésének egy modelljéről Az interneten nézelődve találtunk rá az [ 1 ] munkára, ahol a fák növekedésének azt a modelljét ismertették, melyet először [ 2 ] - ben írtak le. Úgy tűnik, ez az 1966 - os meg - jelenésű, I. E. Poletajev - nek tulajdonított munka egy erősen mozgósító írás volt, mert utána sok hasonló tárgyú, fejlesztett típusú dolgozat követte ezt. Olyannyira, hogy [ 1 ] - en kívül más matematikai tárgyú tan - és szakkönyvekbe is bekerült az eredeti növekedési modell, vagy annak csak kissé módosított változata. Ilyen pl. a [ 3 ] munka is, amit jelen dolgozat közvetlen forrásának tekinthetünk. A feladat és megoldása az alábbi. Feladat A fa a szabad energiáját fotoszintézis révén nyeri. Ezt felhasználja ~ saját fotoszintetizáló munkájához, ~ szövetei felépítéséhez, ~ a talajból történő tápanyagfelvételhez. A növekedési időszak ( tenyészeti időszak ) nagy részében a növény egységnyi felületére jutó fénymennyiség ( közel ) állandó, és a tápanyagok felvétele is korlátlan tartalékokból történik. Adjuk meg bármely fajú fa növekedésének törvényszerűségét, figyelembe véve, hogy a kifejlett növény a növekedése során megtartja testének arányait! Megoldás Legyen x( t ) egy olyan függvény, amely leírja / megadja a fa lineáris / vonalas méreteit egy t időpontban; ezt a függvényt használjuk a fa magasságának, korona - méreteinek és térfogatának meghatározásához. Felállítjuk az energia - egyensúly feltételét. Az E ϕ szabad energia a fotoszintézis révén jön létre a zöld növényi részekben, és ennek nagysága arányos a korona felületével, azaz: ( 1 ) ahol k 1 egy arányossági tényező, amely függ a levélzet alakjától, méreteitől, valamint a fotoszintézis intenzitásától. A fotoszintézisből származó E ϕ energia teljesen felhasználódik a következő folyamatok - ban. 1. A saját fotoszintetizáló folyamatok, melyek energia - igényét az alábbi formulával számítjuk: ( 2 )

2 2. Tápanyag - szállítás a növény minden részéhez, melynek energia - igénye arányos a növény térfogatával és a magasságával, minthogy a tápanyagok felfelé való mozgatása a súlyerővel kapcsolatos. Ilymódon: ( 3 ) 3. A növény gyarapodása, tömegének növekedése arányos az tömeg változásának sebességével: ( 4 ) ( 5 ) ahol γ a növény átlagos sűrűsége. Most az energia megmaradása miatt: Majd ( 1 ), ( 2 ), ( 3 ), ( 5 ) és ( 6 ) - tal: ( 6 ) ( 7 ) végigosztva a tényezővel és rendezve: ( 8 ) bevezetve az ( 9 ) új állandókat, ( 8 ) és ( 9 ) - cel kapjuk a fa növekedésének differenciálegyenletét: ( 10 ) Minthogy a fa növekedik, ezért fennáll, hogy ( 11 )

3 A ( 10 ) differenciálegyenlet szétválasztható változójú: integrálva: vagy integráltáblázattal is [ 4 ] : vagy: ( 12 ) most figyelembe véve, hogy így ( 12 ) és ( 13 ) - mal: ( 13 ) ( 14 ) majd ( 12 ) és ( 14 ) szerint: innen: ( 15 ) átrendezve: ( 16 ) ezután ( 15 ) és ( 16 ) - tal: ( 17 ) Ezzel előttünk áll a modell szerinti növekedési törvény. Minthogy az a és b állandók minden fafajra ismertnek vehetők, így a ( 17 ) képlettel kiszámítható az adott fajú fa növekedése az idő - növekmény függvényében. Vizsgáljuk meg a ( 10 ) törvényszerűséget! Az idő szerint differenciálva: ( 18 ) mivel így ( 18 ) szerint azaz a függvény görbéje ellaposodó.

4 Átírva ( 17 ) - et: ( 19 ) Erről könnyen leolvasható, hogy ( 20 ) Eszerint a ( 17 ), illetve a ( 19 ) függvények grafikonja az alábbi 1. ábra: 1. ábra forrása: [ 3 ] Látjuk, hogy a görbe tangens hiperbolikusz - lefutású a t 0 t < intervallumon. Az x = a / b határhelyzet megfelel a zérus növekedési sebességnek, így ekkor az összes fotoszintézisből nyert energia a növény életműködéseinek a fenntartására fordítódik. Az adott feladat megoldása teljesen kielégítően magyarázza a növekedés megállásának okait a különböző fafajoknál, egy meghatározott magassági -, korona -, illetve térfogat - méret elérésekor. Számpélda [ 3 ] Ismert, hogy a vizsgált fafajnál ~ az átlagos legnagyobb magasság 12 m, valamint ~ 20 év növekedés után átlagos magassága a 10 m - t éri el. Ekkor a / b = 12 ( m ), mint a növekedés határértéke; az ab szorzat értékét pedig a ( 19 ) egyenletből nyerjük: azaz: ezzel: innen:

5 ( p ) ahol: ~ t 0 : a fa ültetésének éve, ~ t: a folyó év. A ( p ) függvény grafikonját a 2. ábra szemlélteti. 2. ábra Megjegyzések: M1. Az [ 1 ] munka 1. kiadását magyarra is lefordították, de ebben az itteni feladat még nem szerepel. M2. Az eredeti [ 2 ] munkában egy pontonként kiszámított / megrajzolt grafikont is közölnek, tölgyfára 3. ábra.

6 3. ábra forrása: [ 2 ] Itt a 2 helyett a - val, b 2 helyett b - vel jelölték a differenciálegyenlet állandóit, innen is az alaki különbség. Úgy tűnik, meglepően jó az egyezés a számított és a mért adatok / értékek között, egy eléggé széles idő - intervallumon. M3. Hogy ( 17 ) egy tangens hiperbolikusz függvény, az így látható be [ 4 ] : Eszerint ( 17 ) más alakban:. ( 21 ) M4. Fentiek szerint megállapíthatjuk a feladat differenciálegyenletében szereplő állandók dimenzióját: innen: hasonlóan: Ezekkel ( 10 ) szerint:

7 azaz: ahogyan lennie is kell. M5. Az itt kifejtett modellt meghaladó modellek alkalmazói közül megemlítjük az [ 5 ] munkát. Megtekintve megállapítható, hogy jelentős nehézségek adódnak a bonyolultabb modellek alkalmazásakor, melyek leküzdéséhez számítógépes / numerikus vizsgálatok szükségesek. Ez még inkább növeli az egyszerű, de a korlátaival együtt is hasznos modell értékét, amely mintegy kiindulási alapul szolgál a bonyolultabbak számára. M6. Teljesen valószínűtlen, hogy magyar nyelven ne legyenek hasonló elméleti és kísér - leti vizsgálatok, eredmények. Hogy ilyenekről nem tudunk, az csak szakmai tájékozatlan - ságunkat bizonyíthatja. Reméljük, e hiányosságot hamarosan felszámolhatjuk. Irodalom: [ 1 ] https://drive.google.com/file/d/0bw_f54pvrxetympcvvvxcurjrza/edit?pli=1 145. 149. o. [ 2 ] http://odasib.ru/openarchive/documentimage.cshtml?id=xu_kray_634993802507080078_ 1231&eid=Po_0001_0105 [ 3 ] http://www.bsu.by/cache/pdf/98663.pdf 38. 42. o. [ 4 ] I. N. Bronstejn ~ K. A. Szemengyajev: Matematikai zsebkönyv 2. kiadás, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1963. [ 5 ] http://www.matbio.org/2012/kolobov2012(7_125).pdf Sződliget, 2015. 04. 13. Összeállította: Galgóczi Gyula mérnöktanár