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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李信輝
研究生(外文):Li, Hsin-Huei
論文名稱:強風下的樹木受力與截面積分析
論文名稱(外文):Force and Cross-Section for Trees under Strong Wind
指導教授:洪在明
指導教授(外文):Hong, Tzay-Ming
口試委員:朱佳仁黃仲仁蔡日強
口試委員(外文):Chu, Chia-RenHuang, Jung-RenTsai, Jih-Chiang
口試日期:2020-07-23
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:物理學系
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:風阻力樹木截面積風速風洞
外文關鍵詞:Drag_forceTreesCross-section_areaWind_velocityWind_tunnel
相關次數:
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  2010年代,由於全球暖化,許多人開始關注起環保議題,對於樹林的保育是主要的議題之一,不管是因人為開發,或森林大火、風災等自然原因,都促成了一些以環保為核心發展的研究。
  在一篇2016年發表的Physical Review E論文,研究者引用到一場2009年的颶風風災數據,宣稱樹木的年齡和高低並不影響樹木斷裂時的風速,亦即當風速達到某臨界值時,絕大部分的樹木都會應聲斷裂。
  在上個世紀就有許多林業發達的國家,使用真實樹木進行風洞實驗,這些論文結論:樹木所受的風力與風速在一定風速下呈線性關係。另外,也有關於樹葉在強風下,會捲曲成圓錐狀,以及阻力係數隨風速下降的研究。
  本研究針對樹木在風災中的影響,主要包括兩個部分:
一、 經由風洞實驗量測樹枝所受的風力與風速的關係,檢驗前人的研究結論。
二、 在風力增加的過程中,樹冠的截面積如何變化?
  對於樹冠的截面積變化,我們也提出簡單的理論模型,成功解釋實驗觀察到的現象。
During the 2010s, many people began to pay attention to some environmental issues due to the global warming. One of their most concerned issues is how to protect the forests. Whether it was because of human development, forest fires, storms or some other natural disasters, it led to the beginning of research on environmental protection.
In an article that appeared in Physical Review E on 2016 that cited the data from a storm in 2009, a group of French researchers concluded that all trees break down when the wind speed exceeds a critical value.
During the last century, there have been many wind-tunnel experiments in countries where the forest industries were well developed. They concluded that the wind force acting on the plant is proportion to the wind velocity below a critical speed. There was also other research indicating that leaves tend to roll into a cone shape and the drag coefficient decreases with the increasing wind velocity.
In this thesis, we will focus on the effect of crown for the force trees endure in a storm. Our experiments consist of two parts:
(1) By use of the wind tunnel, we measure the wind force and the wind speed and check the validity of their relationship by previous researchers.
(2) How the cross section of branches and leaves decreases with the wind velocity?
Heuristic models and simple calculations are also proposed to successfully explain the change of the cross section with wind speed.
致謝 1
摘要 2
Abstract 3
目錄 4
1. 簡介 6
1.1 樹木在強風下的受力與形變研究 8
1.2 樹木受到的風阻力隨風速的變化 10
1.3 樹葉在風吹下的外型變化 12
2. 實驗 13
2.1 實驗儀器 15
2.1.1 風洞 15
2.1.2 五力平衡儀 16
2.2 實驗原理 18
2.3 實驗步驟 19
2.3.1 五力平衡儀的校正 20
2.3.2 樹木截面積的分析 23
3. 實驗結果與討論 25
3.1 小型模型聖誕樹風吹實驗 25
3.2 真實樹枝所受風力與風速的關係 27
3.3 真實樹枝在風吹下的截面積變化 30
3.4 對於不同風速下截面積變化的解釋 33
3.5 扇形紙片風吹實驗與樹葉捲曲的理論比較 38
4. 結論 42
5. 未來展望 43
6. 附錄一 利用高壓艙揉皺球殼之實驗 44
6.1 簡介 44
6.2 實驗 45
6.2.1 實驗原理 45
6.2.2 實驗儀器 46
6.2.3 實驗步驟 50
6.3 論文全文 55
7. 附錄二 圓柱殼擠壓之實驗 61
7.1 簡介 61
7.2 實驗 62
7.2.1 實驗原理 62
7.2.2 實驗儀器 63
7.2.3 實驗步驟 67
7.3 論文全文 74
8. 參考資料 80
[1] E. Virot, A. Ponomarenko, É. Dehandschoewercker, D. Quéré, and C. Clanet, Critical wind speed at which trees break, Phys. Rev. E 93, 023001 (2016).
[2] Mark Rudnicki, Stephen J. Mitchell, and Michael D. Novak, Wind tunnel measurements of crown streamlining and drag relationships for three conifer species, Can. J. For. Res. 34, 666 (2004).
[3] Stephan Vollsinger, Stephen J. Mitchell, Kenneth E. Byrne, Michael D. Novak, and Mark Rudnicki, Wind tunnel measurements of crown streamlining and drag relationships for several hardwood species, Can. J. For. Res. 35, 1238 (2005).
[4] Scott Cullen, Trees and Wind: a Practical Consideration of the Drag Equation Velocity Exponment for Urban Tree Risk Management, J. Arbor. 31, 101 (2005).
[5] Steven Vogel, Drag and Reconfiguration of Broad Leaves in High Winds, J. Exper. Bot. 40, 941 (1989).
[6] 朱佳仁,中型強風測試風洞,2020年5月20日,取自:中央大學土木工程學系網頁:http://www.cv.ncu.edu.tw/index.php?option=com_content&view=article&id=245&Itemid=319
[7] 彭惠敏,以HHT時頻分析法研究陣風風場中物體所受之風力,國立中央大學土木研究所碩士論文, 第34頁(2005)。
[8] 邱立杰,球殼揉皺之實驗探討,國立清華大學物理研究所碩士論文(2019)。
[9] 范姜泓杰,球殼揉皺的力學與統計性質,國立清華大學物理研究所碩士論文(2018)。
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