แรงดึงจากแรงยึดเหนี่ยว

ใบของต้นเรดวูดที่อยู่สูงขึ้นไป 100 m ต้องใช้น้ำที่เริ่มต้นจากในดิน น้ำขึ้นไปถึงที่นั่นได้อย่างไร? ในต้นไม้มีไม่มีหัวใจและไม่มีปั๊ม คำตอบที่เสนอโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวไอริช Henry Dixon และ John Joly ในปี 1894 คือทฤษฎีแรงยึดเหนี่ยว-แรงดึง: น้ำถูกดึงจากด้านบน ไม่ได้ถูกดันจากด้านล่าง

ลำดับเหตุการณ์มีดังนี้:

• การระเหย ภายในใบ น้ำจะระเหยจากผนังเซลล์ที่เปียกเข้าสู่ช่องอากาศเล็ก ๆ และออกไปทางปากใบ (บทเรียนถัดไป) พลังงานสำหรับการระเหยนี้มาจากดวงอาทิตย์ ไม่ใช่จากเมแทบอลิซึมของต้นไม้เอง
• แรงดึง เมื่อน้ำออกไป น้ำที่เหลืออยู่ในผนังเซลล์จะก่อตัวเป็นพื้นผิวโค้งเล็ก ๆ (เมนิสคัส) ในรูพรุนที่มีความกว้างเพียงเศษส่วนของไมโครเมตร แรงตึงผิวทำให้พื้นผิวโค้งเหล่านี้ดึงน้ำที่อยู่ด้านหลังตามไปด้วย น้ำจึงอยู่ภายใต้ความดันเป็นลบ ซึ่งเรียกว่าแรงดึง
• แรงยึดเหนี่ยวและแรงยึดเกาะ โมเลกุลของน้ำยึดติดกัน (แรงยึดเหนี่ยว จากพันธะไฮโดรเจน) และยึดติดกับผนังเซลลูโลสของท่อไซเลม (แรงยึดเกาะ) ดังนั้นแรงดึงจึงส่งต่อไล่ลงมา ผ่านคอลัมน์น้ำที่ต่อเนื่องและไม่ขาด จนถึงราก
• การดูดน้ำ น้ำจะเข้าสู่รากเพื่อแทนที่น้ำที่ถูกดึงออกไป

ตัวเลขแสดงให้เห็นว่าเหตุใดกลไกนี้จึงเป็นกลไกเดียวที่ใช้ได้กับต้นไม้สูง

ความดันไฮโดรสแตติก การพยุงคอลัมน์น้ำให้ต้านแรงโน้มถ่วงต้องใช้ความแตกต่างของความดัน ΔP = ρ g h เมื่อ ρ = 1,000 kg/m³ และ g = 9.81 m/s² จะได้ประมาณ 0.098 MPa ต่อความสูงทุก 10 m (1 MPa = 1,000,000 Pa หรือประมาณสิบเท่าของความดันบรรยากาศ)

• น้ำสูง 10 m: 0.098 MPa
• 30 m: ประมาณ 0.29 MPa
• 100 m: ประมาณ 0.98 MPa เพียงเพื่อสมดุลกับแรงโน้มถ่วง

น้ำนั้นยังต้องไหลผ่านท่อไซเลมแคบ ๆ และแรงเสียดทานนี้ต้องใช้แรงดึงที่มีขนาดใกล้เคียงกันอีกครั้ง การวัดที่ยอดต้นเรดวูดสูงมากพบว่าศักย์น้ำในใบช่วงกลางวันอยู่ที่ประมาณ −1.5 ถึง −2 MPa ซึ่งสอดคล้องกับภาพนี้

แรงแคปิลลารี (การที่น้ำค่อย ๆ ไต่ขึ้นในท่อบาง) อ่อนเกินไป ความสูงคือ h = 2γ cosθ ÷ (ρ g r) เมื่อแรงตึงผิว γ = 0.072 N/m มุมสัมผัส 0° และรัศมีท่อไซเลม r = 20 µm จะได้ h = 2 × 0.072 ÷ (1,000 × 9.81 × 0.00002) ≈ 0.7 m

ความดันราก (รากสูบไอออนเข้ามาอย่าง सक्रिय เพื่อให้น้ำไหลตามเข้ามาด้วยออสโมซิส) โดยทั่วไปมีเพียงประมาณ 0.1 ถึง 0.2 MPa ซึ่งตามหลักการแล้วอาจช่วยพยุงน้ำได้สูงราว 10 ถึง 20 m และในต้นไม้หลายชนิด ความดันนี้จะลดลงหรือหายไปในฤดูร้อน ความดันนี้อธิบายหยดน้ำเลี้ยงที่ขอบใบในตอนเช้าที่อากาศนิ่งและชื้นได้ แต่ไม่ใช่สาเหตุที่ทำให้น้ำขึ้นไปถึงยอดเรดวูด

ทำไมมวลน้ำจึงไม่ขาดออกจากกัน? น้ำในหลอดบาง ๆ ที่สะอาดและปิดจะยึดเกาะกันได้ดี จึงทนต่อการถูกดึงอย่างแรงได้ สภาวะนี้เรียกว่า กึ่งเสถียร: ทุกอย่างยังปกติดีจนกว่าจะมีบางสิ่งทำให้มันแตกออก หากฟองแก๊สก่อตัวและขยายในหลอด (คาวิเทชัน ซึ่งเป็นหัวข้อของบทเรียนที่ 4) หลอดนั้นจะหยุดลำเลียงน้ำ ต้นไม้มีหลอดจำนวนหลายล้านหลอดวางเรียงแบบ ขนาน กัน ดังนั้นแม้จะมีหลอดหนึ่งหรือไม่กี่หลอดเสียหาย การไหลของน้ำก็ไม่หยุด

ลองเปรียบเทียบกับ เครื่องสูบน้ำแบบดูด หรือหลอดดูดน้ำ อุปกรณ์เหล่านี้ลดความดันที่ด้านบนของมวลน้ำ เพื่อให้ บรรยากาศดัน น้ำจากด้านล่างขึ้นมา บรรยากาศจะดันน้ำได้สูงสุดประมาณ 10 m (0.101 MPa) เท่านั้น ต้นไม้สามารถลำเลียงน้ำสูงเกิน 10 m ได้ เพราะน้ำไม่ได้ถูกอากาศดันขึ้น แต่ถูก แรงยึดเหนี่ยวดึง จากด้านบน และความดันในไซเลมลดลงต่ำกว่าศูนย์