Механическое сопротивление, оказываемое почвой развитию растений
С самого момента прорастания культурному растению приходится затрачивать часть энергии на преодоление тех механических препятствий, которые оно встречает в виде связности, явлений прилипания, трения и других аналогичных физических свойств той почвы, в которой этому растению приходится развиваться. Такую работу приходится производить как зародышу прорастающего семени на пути выхода его на поверхность почвы, так в особенности подземным частям растения — корням, при распространении их в горизонтальном и вертикальном направлениях, корневищам, развивающимся луковицам, клубням и т. п.
Некоторые ученые, изучавшие данный вопрос, не придавали существенного значения тому механическому сопротивлению, которое может оказать та или иная почва развивающимся растениям. Так, Hеinriсh считал, что даже наиболее тяжелые и связные почвы не представляют по своим физическим свойствам никаких препятствий для проникновения в них корневой системы, и с этой точки зрения не причислял тех физических свойств почвы, которые упомянуты нами выше, к факторам, могущим так или иначе влиять на урожайность культивируемых растений, уделяя этим физическим свойствам лишь значение таких факторов, которые обусловливают собою большую или меньшую трудность обработки почвы сельскохозяйственными орудиями. В подтверждение своих взглядов Heinrich ссылался между прочим на опыты Sachs, показавшие, что зародышевый корень своею верхушкою в состоянии проникать даже в ртуть, т. е. в среду, по удельному своему весу во много раз превосходящую удельный вес растительного корня. Исходя из этих соображений, Heinrich объяснял пользу разрыхления почвы, достигаемого при механической обработке последней, исключительно лишь созданием лучших условий для аэрации почвы, а следовательно, и для дыхания растительных корней, а также и тем, что рыхлая почва, по сравнению с плотной, с большею легкостью отдает растениям как влагу, так и питательные вещества. Таким образом, с точки зрения указанного автора, при обсуждении вопросов, связанных с урожайностью растений вообще и с плодородием почвы в частности, упомянутый фактор — механическое сопротивление почвы развивающимся растениям — может не приниматься во внимание.
Взгляды Heinrich и других встретили, однако, существенную критику со стороны С. Богданова, который, разобрав литературу этого вопроса и приведя целый ряд соображений и фактов из сельскохозяйственной практики, противоречащих изложенным взглядам Heinrich, подчеркнул, наоборот, чрезвычайно большую важность рассматриваемого фактора в жизни культурных растений. Свою точку зрения С. Богданов подкрепил результатами исследований как некоторых других ученых, так и своих собственных, определенно выяснивших, что развивающимся в почве растительным частям приходится иногда производить «непосильную» для себя работу, ослабляющую и задерживающую в силу этого их рост и резко отражающуюся в результате на окончательном урожае. В подтверждение своих взглядов С. Богданов указывает на целый ряд общеизвестных фактов из сельскохозяйственной практики; так, при посеве в парниках очень мелких семян (табака и пр.) опытные работники обычно прикрывают такие семена возможно более рыхлым субстратом, поливают их во избежание уплотнения почвы с возможно большею осторожностью и т. д. — в целях облегчить слабым растениям процесс выхода их из почвы на солнечный свет. Далее, общеизвестный факт губительного действия на всходы образующейся на поверхности «припадливых» почв корки, лучший рост и развитие растений, культивируемых ради подземных частей (картофеля, топинамбура, лука и др.), именно на рыхлых и легких почвах и пр. — все это до некоторой степени действительно может служить косвенным подтверждением только что изложенной точки зрения.
Чтобы доказать то основное положение, что механическое сопротивление, оказываемое почвою, может иногда или совершенно задержать выход из последней всходов или же, задерживая его в течение некоторого времени, ослабляющим образом действовать на ростки, С. Богдановым были организованы следующие простые опыты. Одни зерна пшеницы проращивались на поверхности влажной фильтровальной бумаги, другие — на влажном песке и прикрывались очень тонким слоем такого же песка, третьи — также на влажном песке, но прикрыты были тем же песком слоем в 5 CM, причем эта прикрышка старательно уплотнялась помощью пестика. Доступ внешнего воздуха семенам был обеспечен стеклянною трубкою. По истечении определенного срока прорастающие семена были подвергнуты обследованию. Оказалось, что в первых двух случаях общее удлинение надземных частей ростков равнялось приблизительно 14—17 см, между тем как в третьем опыте зерна дали ростки, удлинившиеся лишь до 3—4 см, после чего дальнейший рост прекратился; надземные органы, таким образом, не могли проложить себе дорогу на свет. Когда затем ростки, задержанные в своем развитии прикрывавшим их песком, помещены были на поверхности такого же влажного песка, то ростки стали немедленно же удлиняться и достигли в общем 12,5 см.
Эти простые опыты наглядно показали, что механическое сопротивление субстрата способно совершенно задержать выход из него всходов, а задерживая его в течение некоторого времени, может действовать на рост ослабляющим образом.
Теперь посмотрим, как велика сила, которою обладают растения, преодолевая при своем развитии механическое сопротивление почвы.
Muller проращивал зерна кукурузы, помещенные в тяжелую глинистую почву, между двумя стеклянными пластинками; верхняя пластинка поднималась ростками даже при нагрузке в 375 г (для опыта взято было 80 зерен); нагрузка в 500 г была для них уже непосильной. Следовательно, сила поднятия груза отдельными ростками выражалась цифрой 6,25 г.
Marek, желая определить силу, с которой давят корни ростков гороха, пользовался аппаратом, состоящим из очень подвижного блока, через который была переброшена нить с укрепленными на обоих концах чашечками; на одну из них давил направляющийся при своем росте вниз корень развивающегося зародыша гороха, на другую же помещался груз, необходимый для поддержания равновесия. Оказалось, что крупные семена гороха, весом в 0,41 г, прорастали с силою корня 2,35 г, мелкие же, весом в 0,15 г, — с силою 0,25 г.
В своих опытах С. Богданов, видоизменив несколько описанный аппарат Mаrеk, также исследовал ту силу, с которой поднимаются вверх всходы разных растений, главным образом пшеницы. Прибор представлял собой укрепленный на штативе латунный блок около 2 см диаметром, очень подвижный. К одному концу переброшенной через этот блок нити прикреплялась в виде ведерца чашечка для накладывания груза, а к другому — плоская чашечка с отверстием посредине для укрепления в нем при помощи пробок стеклянных трубок различного диаметра. Начавшее прорастать семя, обернутое лентою пропускной бумаги, слегка зажималось между двумя кусками пробки; пропускная бумага нижними концами погружалась в воду и оставалась во все время опыта влажною, благодаря чему и продолжавшее развиваться растеньице постоянно получало необходимую ему воду; семя укреплялось под плоскою чашечкою аппарата таким образом, чтобы стебелек или вообще надземные органы направлялись прямо вверх и должны были войти в стеклянную трубку, укрепленную в отверстии плоской чашечки аппарата. Нижний конец этой трубки гладко обтачивался, так что она могла стоять на ниже расположенной пробке с закрепленными в ней прорастающими семенами.
Результаты опыта приведены в следующей таблице:
Источник
Свойства почвы
Вопросы:
1. Сопротивление почвы разным видам деформации.
2. Твердость почвы.
3. Фрикционные свойства почвы.
4. Липкость почвы и способы ее снижения.
5. Пластичность, упругость, вязкость и хрупкость почвы.
6. Задернелость и ее влияние на технологические свойства почвы.
Технологические – это те свойства почвы, которые проявляются в процессе ее механической обработки и оказывают существенное влияние на закономерности и характер протекания технологического процесса.
Сопротивление почвы различным видам деформации
Почва под действием рабочих органов сельскохозяйственных машин поддается деформации: сдвигу, сжатию, растягиванию, резанию и кручению. Сопротивление почвы при таких деформациях изучено недостаточно. Для суглинистых почв ученые установили, что наименьший предел прочности отмечен при растяжении почвы 5…6 кПа, средний – при сдвиге 10…12 кПа и максимальный – при сжатии (65…108 кПа). Отсюда следует, что рыхление почв с минимальным расходом энергии можно добиться только путем разрушения связей между отдельными структурными агрегатами с помощью деформации растяжения.
Твердость почвы
Твердость почвы или сопротивление смятию – способность почвы сопротивляться внедрению (под давлением конуса, цилиндра, шара).
Твердость – сравнительный показатель механических свойств почвы.
Между твердостью и удельным сопротивлением почвы существует корреляционная связь, которая наблюдается только при работе плуга. Она различна для песчаных и глинистых почв.
Твердость определяется с помощью твердомеров, которые разделяют по принципу заглубления в почву на ударные и беспрерывные. К первому типу относятся конструкции Железнова, Захарова, Волкова и др.; ко второму – устройства ак. Горячкина, Качинского, Ревякина, Голубева, конструкции, разработанные ВИСХОМом и др.
Рис.1. Схема твердомера Ревякина: 1 – ручка,
2 – пружина, 3 – штанга, 4 – наконечник.
С помощью твердомера Ревякина получим диаграмму зависимости величины сжатия пружины (ось У) от глубины погружения наконечника в почву (ось Х).
Рис.2. Зависимость деформации пружины У твердомера от глубины погружения в почву H.
Давление Р равно силе сопротивления почвы смятию и пропорциональна сжатию пружины У.
Линейная деформация почвы равна величине заглубления наконечника в почву H. Зависимость Р От H представляется в виде диаграммы:
Рис.3. Диаграмма смятия почвы. Зависимость силы сопротивления почвы смятию Р от глубины погружения H.
Диаграмма (рис. 3) аппроксимируется двумя линиями ОА им АВ, которые характеризуют две фазы деформации почвы. В первой фазе (отрезок ОА) сила сопротивления растет пропорционально линии деформации H. Во второй фазе (отрезок АВ) увеличение деформации H не вызывает изменение силы сопротивления и почва “течет”, то есть деформируется под действием постоянной силы сдавливания. Поэтому т. А называют пределом пропорциональности.
Первая фаза имеет большое практическое значение, т. к. деформация почвы сельскохозяйственными машинами, как правило, не выходит за пределы первого участка (ОА) диаграммы. Путем обработки этого участка получают показатели, характеризующиеся способность почвы сопротивляться смятию.
(1)
Где: Рср – средняя нагрузка (сила) соответствующая среднему значению Hср на участке HA, H,
S – площадь поперечного сечения наконечника твердомера, см2.
Рср находится по закону Гука:
, (Н) (2)
Где Уср – величина деформации пружины твердомера (измеряется по диаграмме, рис. 2) , см;
Gп – жесткость пружины, Н/см.
, (Па) (3)
Твердость почвы на разных глубинах неодинаковая, поэтому ее определяют на каждой глубине в отдельности.
Для инженерных расчетов важно знать предельное значение удельного сопротивления почвы смятию или Несущую способность почвы
, (Па) (4)
Где PА – ордината точки А на диаграмме.
Кроме этого, определяют коэффициент объемного смятия почвы, который показывает на сколько возрастет сопротивление почвы при смятии каждой последующей единицы ее объема.
, 
(5)
Где PA – сила сопротивления почвы, которая соответствует т.А диаграммы;
V – объем смятой (вытесненной) почвы, который соответствует т. А диаграммы.
Коэффициент объемного смятия имеет следующие значения:
· для свежевспаханной почвы 
Н/см3;
· для стерни и паров 
Н/см3;
· для грунтовой дороги 
Н/см3.
На показатели твердости и коэффициента объемного смятия почвы значительное влияние оказывает влажность, при ее увеличении твердость и коэффициент объемного смятия уменьшается.
При смятии почвы затрачивается энергия. Для ее определения можно использовать диаграмму. С учетом масштаба она будет равна площади, ограниченной линиями ОА и АВ. Для первой и второй фазы энергия равна:
Дж (6)
Дж (7)
Из выражений следует, что при обработка почвы на глубине соответствующей несущей способности (т. А на диаграмме) почвы, приводит к увеличению расхода энергии.
Фрикционные свойства почвы
Оказывают огромное влияние на процессы ее механической обработки. На трение затрачивается от 30 до 50% энергии МТА.
Фрикционные свойства возникают вследствие скольжения почвы относительно другого тела, которое находится с ней в контакте (внешнее трение), или скольжения частиц составляющих почву относительно друг друга (внутреннее трение).
Наружное трение под действием собственной силы тяжести почвы называют Статическим, а под действием внешней активной силы – Динамическим.
Сила трения – это сила сопротивления перемещению, возникает от действия активной силы, стремящейся создать скольжение поверхности одного тела относительно другого при нормальном давлении.
Сила трения Fтр всегда находится в плоскости взаимодействия тел и направлена в противоположную сторону от активной силы.
Максимальное значение Fтр достигает при скольжении. Численное значение определяется по формуле Амонтона (1966 г.)
, Н (8)
Где F – коэффициент трения;
N – сила нормального давления или реакции опоры, Н.
,
Где 
– угол трения;
и – не постоянны. Они изменяются в зависимости от механического состава, влажности почвы, скорости относительного движения, площади поверхности и ее состояния.
Численные значения F находятся в интервале 0,25…0,90, – 14˚…42˚.
На трение значительное влияние оказывает влажность (рис.4).
 |
Рис. 4. Зависимость F от Wа.
При низкой влажности от 0 до 8…10% почвенная влага не прилипает к металлу (отрезок АB на рис. 4) – имеет место “истинное трение” и коэффициент трения не зависит от влажности.
Увеличение F – отрезок Bс объясняется возникновением сил молекулярного притяжения почвенных частиц к поверхности металла.
Когда влажность увеличивается до 50…80%, она играет роль смазки, поэтому F уменьшается (кривая Cd).
На F оказывает влияние механический состав почвы рис. 5 , т. е. содержание физической глины (частицы менее 0,1 мм).
Рис. 5. Влияние содержания в почве “физической глины” на коэффициент трения покоя почвы по стали.
Как видно из графика рис.5, с ростом процентного содержания “физической глины” коэффициент трения увеличивается. Это объясняется тем, что у малосвязных песчаных почв отдельные частички не скользят, а перекатываются по поверхности металла (трение качения) вследствие чего сила трения уменьшается.
Улучшение структуры почвы приводит к уменьшению F, что объясняется уменьшением площади действительного контакта почвы со сталью.
По рыхлой почве F ниже, чем по твердой.
Различают Коэффициент трения покоя Fп (характеризует процесс внешнего трения в момент перехода материала из состояния покоя в состояние движения по исследуемой плоскости под действием силы тяжести),
Коэффициент трения движения Fд (характеризует процесс внешнего трения – движении одного материала по другому под действием внешней активной силы) и
Коэффициент внутреннего трения Fвн (характеризует процесс внутреннего трения исследуемого материала – т. е. частиц его составляющих друг относительно друга).
Fп определяется с помощью наклонной плоскости 
Рис. 6. Схема сил при определении коэффициента трения покоя Fп: R – равнодействующая сил Fтр и N; – Угол трения (между R и N); 
– угол наклона плоскости из исследуемого материала на которой находится образец почвы.
Fд определяется с помощью прибора академика Желиговского:
Рис. 7. Схема сил при определении Fд На приборе академика Желиговского: 1 – доска с ватманом; 2 – линейка с исследуемым материалом; 3 – образец почвы.
Коэффициент трения движения можно также определить на дисковом приборе трения, при скорости V = 12 м/с, N = 15 г/см2 (динамографе).
Исследованиями установлено, что при скорости скольжения почвы относительно отполированной стальной поверхности 0,4 м/с и давлении 20…100 кПа коэффициент трения составляет:
· для сыпучих песчаных и супесчаных почв – 0,25…0,35;
· для связанных песчаных и супесчаных почв – 0,50…0,7;
· для суглинистых – 0,35…0,50;
· для тяжелых суглинков и глины – 0,40…0,90.
Fвн характеризуется углом естественного откоса сыпучих материалов, – это 
– между образующей конуса и горизонтальной плоскостью.
Т. е. это угол, при котором обеспечивается предельное равновесие 
.
Рис.8. Схема сил при определении коэффициента внутреннего трения.
Чем мельче фракционный состав сыпучего материала, тем больше .
Угол естественного откоса определяется с помощью прибора.
Рис. 8. Схема устройства для определения угла естественного откоса .
Для воды 
.
Для масла подсолнечного .
4. Липкость почвы
Липкость почвы – способность ее частиц прилипать и склеиваться. Характеризуется усилием необходимым для отрыва от почвы 1 см2 стальной поверхности.
, 
Где Ротр – сила, необходимая для отрыва диска от почвы, Н;
Sд – площадь диска, см2.
Рис.9. Схема прибора для определения показателя липкости: 1 – диск;
2 – стержень; 3 – ролик; 4 – нитка; 5 – чашка для гирек; 6 – емкость с грунтом.
Она проявляется двояким образом.
1. Как сопротивление при скольжении почвы по поверхности рабочих органов машин.
2. Как сопротивление при отрыве находящихся в контакте с ней твердых тел (качение колес, движение гусениц и т. д.).
Сопротивление скольжению от прилипания:
Где Р0 – коэффициент удельного прилипания при отсутствии нормального давления, Па;
P – коэффициент удельного прилипания, вызываемого нормальным давлением, см-2;
S – видимая площадь контакта, см2;
N – сила нормального давления, Н.
Сравнивая 
и 
, отметим, что законы трения и прилипания имеют существенные различия.
Прилипание в отличие от трения зависит не только от нормального давления и свойств материалов рабочей поверхности, но и от площади контакта и проявляются даже при отсутствии нормального давления N.
Липкость почвы зависит от механического состава (дисперсности), влажности, материала рабочей поверхности рабочего органа и удельного давления. С увеличением дисперсности липкость возрастает, поэтому глинистые почвы более липкие, чем песчаные. Бесструктурные более липкие, чем структурные.
Липкость проявляется лишь при определенной влажности:
· для бесструктурных почв при относительной влажности 40…50%;
· для структурных почв – 60…70%.
С увеличением влажности липкость сначала возрастает, а затем падает.
Рис. 10. Зависимость давления необходимого для счищения прилипшей к материалам почвы.
Один из путей уменьшения липкости – использование новых (синтетических) материалов для рабочих органов почвообрабатывающих машин (см. рис.10).
При определенной влажности почвы прилипание и трение действует совместно. Если почва скользит по поверхности рабочего органа, оба процесса проявляются одновременно в виде сопротивления ее скольжению.
,
Где Fтр – сила трения почвы по поверхности рабочего органа,
Fпр – сила прилипания почвы к материалу поверхности рабочего органа.
Залипание рабочих органов происходит в том случае, когда сумма сил трения и прилипания почвы к их поверхности больше, чем предел прочности ее на сдвиг.
Самоочищение наблюдается в том случае, когда сумма сил прилипания и трения почвы о почву становится больше, чем общее сопротивление налипших частиц скольжению.
Способы снижения трения и налипания на поверхность рабочих органов
1. Применение пластинчатых отвалов, которые из-за повышенного уплотнения слоя почвы, способствуют появлению на поверхности пластин свободной воды, устраняющей налипание.
2. Применение вибрирующих рабочих органов.
3. Применение “электросмазки” – движение капиллярной воды в почве к отрицательному электроду под воздействием электрического тока. Следует отметить, что применение данного способа возможно лишь при повышенной влажности и малых скоростях движения (не более 0,5 м/с), поскольку иначе капиллярная вода не успевает перемещаться в почве к поверхности ее контакта с рабочими органами.
4. Нагнетание на рабочую поверхность орудия воды и воздуха.
5. Покрытие поверхностей рабочих органов почвообрабатывающих орудий износостойкими и малозалипаемыми синтетическими материалами.
5. Пластичность и упругость, вязкость и хрупкость
Пластичность и упругость, вязкость и хрупкость – тоже важные технологические свойства почвы.
Пластичность – свойство почвы деформироваться под действием внешней нагрузки (изменять свою форму без распадения на части) и сохранять эту форму после снятия нагрузки.
Пластичность зависит, в основном от механического состава и влажности и характеризуется числом пластичности.
Где WB – верхний предел пластичности т. е. влажность почвы при которой она расплывается от малейшего сотрясения;
WH – нижний предел пластичности, т. е. влажность при которой почва, раскатанная в стержень диаметром 3 мм, начинает крошиться.
Песок не пластичен; супесь – 1…7; суглинок – 8…17; глина более – 17.
Упругость – свойство восстанавливать форму после снятия нагрузки. Упругость зависит от механического состава, влажности и задернелости.
Относительное значение упругих деформаций колеблется от 30 до 80%.
Вязкость – свойство медленно деформироваться не только в функции нагрузки, но и времени.
Чем больше длится нагрузка, тем больше деформация. Вязкость связана с взаимным перемещением фаз почвы: твердых частиц, воды и воздуха.
Пример: колея трактора на болоте, тем глубже, чем меньше скорость и наоборот.
Хрупкость – антипод вязкости, пластические деформации отсутствуют. Пример: пересохшая почва.
В общем случае почва это упруго-вязко-пластическое тело. С изменением тех или иных параметров (Например: влажности) происходит изменение соотношение или утрата тех или иных свойств.
Например: при сильном высыхании (уменьшении влажности) почва утрачивает свойство вязкости и приобретает свойство хрупкости.
Задернелость и ее влияние на технологические свойства почвы
Почвы целинных и залежных земель, лугов пастбищ, полей из под многолетних трав пронизаны многочисленными корнями растений.
Крупные корни находятся в верхней части пласта 6-18 см. Ниже – тонкие и мелкие корешки. Почвенный пласт в таких случаях разграничивается на два слоя, резко отличающихся по своим технологическим свойствам. Так, верхний задернелый слой ведет себя, как упругое тело, а нижний обладает пластичностью.
Например: предел прочности на сдвиг задернелой почвы (многолетняя залежь). более чем в 3 раза превышает предел прочности старопахатных земель (стерня озимой пшеницы) при той же влажности.
Характеристикой задернелости могут служить толщина слоя дернины, связность дернины и степень задернения пахотного слоя (толщина 6…18 см).
Степень задернелости пласта (пахотного слоя) определяется вымыванием из пробы корней, высушивают их и взвешивают. Масса корней Mk отнесенная к объему взятой пробы Vn, показывает степень задернелости:
, 
.
Степень задернелости на целине – 18…39 г/дм3, на полях клевера – 4,5…8 г/дм3.
Абразийность
Абразийность – это свойство почвы проявляется при износе рабочих органов почвообрабатывающих машин и зависит от механического состава почвы.
Например: износ лемеха при вспашке 1 га:
· на глинистых и суглинистых почвах от 2 до 30 г;
· суглинистых и супесчаных с небольшим количеством камней – 30…100 г;
· песчаных с большим количеством камней – 100…450 г.
Абразивность почвы зависит от содержания в ней физического песка. Высокая абразивность песчаных почв объясняется преобладанием в их составе кварца – самого твердого из минералов образующих почву.
Исходя из свойств почвы рабочая поверхность корпусов плугов у нас делают из Сталь 65Г (марганец). Немецкий плуг фирмы «ЛЕМКЕН» добавляется бор для прочности.
Литература
1. М55 Механіко-технологічні властивості сільськогосподарських матеріалів: Навч. посібник/О. М. Царенко, С. С.Яцун, М. Я.Довжик, Г. М.Олійник;За ред. С. С.Яцуна. — К.: Аграрна освіта, 2000.-243с.:іл. ISBN 966-95661-0-7
2. Механіко-технологічні властивості сільськогосподарськи матеріалів: Підручник / О. М.Царенко, Д. Г.Войтюк, В. М.Швайко та ін.;За ред. С. С. Яцуна.-К.: Мета, 2003.-448с.: іл. ISBN 966-7947-06-8
3. Механіко-технологічні властивості сільськогосподарських матеріалів. Практикум:Навч. посібник/Д. Г.Войтюк, О.М. Царенко, С.С. Яцун та ін.;За ред. С.С. Яцуна:-К.:Аграрна освіта,2000.-93 с.: іл.
4. Хайлис Г. А. и др. Механико – технологические свойства сельскохозяйственных материалов – Луцк. ЛГТУ, 1998. – 268 с.
5. Ковалев Н. Г., Хайлис Г. А., Ковалев М. М. Сельскохозяйственные материалы (виды, состав, свойства). — М.: ИК «Родник», журнал «Аграрная наука», 1998.—208 с., ил. 113.—(Учебники и учеб, пособия для высш. учеб, заведений).
6. Физико – механические свойства растений, почв и удобрений. — М.: Колос, 1970.
7. Скотников В. А. и др. Практикум по сельскохозяйственным машинам. – Минск: Урожай, 1984. – 375 с.
8. Методика изучения физико-механических свойств сельскохозяйственных растений. М.: ВИСХОМ, 1960. -–269 с.
9. Карпенко А. Н., Халаский В. М. Сельскохозяйственные машины. – М.: “Агропромиздат”, 1983. – 522 с.
Источник