Hidrológiai Közlöny 1962 (42. évfolyam)

1. szám - Tóth, J.: Az áramlástan egyes kérdéseinek ökológiai vonatkozása

0)6 Hidrológiai Közlöny 1962. 1. sz. LIMNOLÓGIA Az áramlástan egyes kérdéseinek ökológiai vonatkozásai* TÓTH JÁNOS" Bevezetés A tanulmány címe két fogalmat tartalmaz, az „áramlástant" és az „ökológiát". Az áramlástan a fizika és a fizikán felépülő alkalmazott mérnöki tudományokhoz, az ökológia pedig a biológiához tartozik. A két tudományág találkozása számos esetben bekövetkezhet, azonban talán sehol sem annyira indokoltan, mint a folyóvizek hidrobiológiái kutatása esetében. Bár a limnológiai kézikönyvek foglalkoznak az áramló víz tulajdonságaival [2, 3, 7, 8] folyóvizek hidrobiológiái vizsgálatakor fokozottabb mértékben tekintetbe kell vennünk az áramlástan eredményeit és módszereit. Tehetjük ezt annál is inkább, mert a hazai irodalomban is számos kitűnő áramlástani munkát találunk [6]. Ezek megkönnyítik a biológusnak, hogy ezen a tudományterületen is tájékozódjék. Bizonyos nehézséget jelent azonban az, hogy a szóban forgó tudományterületeknek egymástól eltérő a terminológiájuk és tárgyalásmódjuk. Az áramlástannal foglalkozó munkák bizonyos matematikai jártasságot tételeznek fel. Ez, a matematikával esetleg kevésbé foglalkozó biológus részére a munka megértésében bizonyos nehézséget jelent. Valószínűleg ezért kevés a hidrobiológiái irodalomban az olyan, folyóvizekkel foglalkozó tanulmány, amely tekintetbe veszi és alkalmazza az áramlástan elméleti és gyakorlati eredményeit és módszereit. Pedig az utóbbi időben -— a folyóvizek kutatásának fellendülésével egyidejűleg — egyre inkább fokozódik az igény az ilyen tárgykörű munkák iránt. A külföldi szakfolyóiratokban már megjelent a közelmúltban néhány olyan tanulmány, amely hidrológiai, í 11. áramlástani vonatkozásokban is bővíti a hidrobiológiával foglalkozó szakemberek ismereteit [1, 4]. Az igény hazai vonatkozásokban is fennáll. Jól mutatja ezt az az érdeklődés, amelylyel a magyar limnológusok Lászlóffy Woldemár Budapesten és Tihanyban tartott előadásait fogadták. Az áramlástan számos hidrobiológiái kérdésben, különösen pedig a folyamkutatás területén jelentős segítséget nyújthat. Az áramlástan egyes alaptételeinek ismerete feltétlenül szükséges ahhoz, hogy a folyóvízi hidrobiológiái kutatások elvégzéséhez megfelelő szemlélettel rendelkezzünk. A folyadék-áramlás sajátosságainak kutatása terén — mint ismeretes — Reynolds úttörő munkát végzett, midőn a folyadék mozgásának lamináris és turbulens állapotához tartozó hidraulikai jellemzőket meghatározta. Noha a turbulens áramlás fogalmával valószínűleg minden hidro* A Magyar Hidrológiai Társaság Limnológiai Szakosztályának 1961. IV. 28-án tartott ülésén elhangzott előadás. ** Magyar Dunakutató Állomás. Alsógöd. biológus tisztában van, úgy vélem, hogy a Reynolds-szám fogalmával és a nyugvó, valamint mozgó folyadékban levő testek mozgástörvényeivel nem foglakoztak eléggé. Pedig az áramló vízben található élőlényekre éppen úgy vonatkoznak ezek a fizikai törvények, mint az élettelen anyagokra. Ismeretük alapján sokszor magyarázatát találjuk valamely élő szervezet viselkedésének, jelenlétének vagy hiányának. Reynolds kísérlete Hogy a későbbiekben tárgyaltak az áramlástan területén nem tájékozott hidrobiológus szakemberek számára is érthetőek legyenek, az alábbiakban röviden ismertetem Reynolds kísérletét. Vízzel töltött, állandó vízszintű medence alsó részéből csappal ellátott üvegcső ágazik ki. Ha a medence vízszintje állandó, a csőben áramló folyadék sebessége — változatlan csőátmérő esetén — a csap nyitottságának mértékétől függ. Az üvegcsőben áramló víz turbulens vagy lamináris állapotának megfigyelésére metilénkék-festék vizes oldatát juttatjuk a csőbe a következő módon. Magában a medencében elhelyezünk egy másik kisebb tartályt, amelyben a metilénkék vizes oldata van. Ebből a tartályból kapillárisán végződő csövet vezetünk az említett vastag üvegcső medence felőli végéhez. Ha a csapot megnyitjuk, az üvegcsőben megindul a víz áramlása és megindul a kapillárisból a színes oldat áramlása is. A kiáramló színes oldat a kapilláris folytatásaként egy szálban helyezkedik el. Csak hosszabb távolság megtétele után enyészik el a körülötte áramló tiszta vízben. Ez azt jelenti, hogy a víz mozgása az üvegcsőben lamináris. Minél jobban kinyitjuk a csapot — vagyis minél nagyobb sebességű áramlást idézünk elő, annál rövidebb lesz a követhető színes folyadékszál. Bizonyos vízsebesség elérése után azt tapasztaljuk, hogy a kapillárisból kilépő színes oldat rögtön gomolyogva eloszlik az őt körüláramló víztömegben, vagyis a vízmozgás turbulens. Az észlelt jelenség magyarázata a következő : egészen lassú vízáramlás esetén a folyadékrészecskék egymással párhuzamosan haladnak. Nagyobb sebességű áramlás előidézésekor a folyadék részek mozgásának párhuzamos volta megszűnik, és az egyes folyadékrészecskék gomolyogva, örvénylő pályákon haladnak. Az előbb vázolt kísérlet alapján Reynolds a vízmozgás állapotának jellemzése céljából a következő (nevéről Reynolds-számnak nevezett) mennyiségcsoportot határozta meg : v v = a folyadék mozgásának átlagos sebessége a csőben, d = a cső átmérője, P = a folyadék kinematikai viszkozitása Azt az átlagos sebességet, amelynél a folyadék mozgásjellege a csőben laminárisból turbulenssé válik, kritikus sebességnek, a Reynolds-szám (Re) ennek megfelelő értékét pedig kritikus értéknek nevezzük. A természetes vízfolyásokban föllépő vízmozgásra vonatkozó Reynolds-szám számításakor az üvegcső átmérője helyett a hidraulikus sugár értékével számolunk. Ha a természetes vízfolyásokra vonatkozó Reynolds-féle számot kiszámítjuk, kitűnik, hogy az áramlás szinte minden esetben turbulens.