Биомеханическое моделирование устойчивости стеблей зерновых культур к полеганию: интеграция математических методов и экспериментальных исследований

Аннотация

В работе представлено комплексное исследование устойчивости стеблей зерновых культур к полеганию с применением методов математического моделирования и экспериментального анализа. Полегание, проявляющееся в двух формах (корневое и стеблевое), – критический фактор, снижающий урожайность до 30–50% и ухудшающий качество зерна. Исследование фокусируется на биомеханических аспектах устойчивости стебля как вертикального упругого стержня переменного сечения, подверженного действию распределенных (собственный вес) и сосредоточенных (масса колоса) нагрузок, а также ветра. Разработана оригинальная математическая модель, основанная на дифференциальных уравнениях теории упругости, включая модифицированные уравнения Эйлера–Бернулли и Бесселя для анализа критических нагрузок. Экспериментально определены физико-механические параметры стеблей (модуль упругости, пределы прочности) для пяти ключевых культур (пшеница, ячмень, рожь, тритикале, рис) с использованием авторской методики изгибных испытаний. Установлено, что максимальное напряжение локализуется в средней части стебля и у основания, что коррелирует с полевыми наблюдениями. Практическая значимость работы – создание инструментов прогнозирования рисков полегания, оптимизации селекционных программ (акцент на короткостебельные генотипы) и агротехнологий (дозирование удобрений, применение ретардантов). Подчеркивается необходимость междисциплинарного подхода, объединяющего биомеханику, генетику и точное земледелие. Результаты показывают, что климатические и агротехнические факторы влияют на количественные, но не качественные закономерности потери устойчивости, что подтверждает универсальность модели для различных регионов возделывания.