7. Динамика напряжений древесных растений.

С динамикой напряжений древесных растений связана разработка зарубежными и отечественными специалистами учения о строительно-механических принципах строения (у В.Ф. Раздорского – архитектоники) растений. В отличие от зарубежных исследователей, рассматривавших дерево как строительную конструкцию, ботаник и инженер В.Ф. Раздорский [19] рассматривает дерево как живой организм, претерпевающими изменения в процессе онтогенеза.

Он возражает против статического и чисто инженерного понимания Швенденером конструкции растительного организма и его органов и рассматривает растение в целом и отдельные его органы не как конструкции, статически сопротивляющиеся механическим воздействиям внешней среды, а как структуры, динамически реагирующие на прилагаемые к ним воздействия, и что еще существеннее, как живой развивающийся целостный организм, действующий всеми своими тканями и клетками, изменяющийся в своем развитии в соответствии с конкретными условиями среды его существования, как живой организм, согласно законам механики реагирующий на действие сил, приложенных к нему в данный момент, но, вместе с тем, согласно биологическим законам, реагирующий на них изменением строения своего тела и его частей.

В.Ф. Раздорский подробно рассматривает особенности влияния на дерево и его органы статических и динамических воздействий внешних факторов среды: «статические нагрузки вызываются постоянно действующей силой тяжести – весом органов и поддерживаемых ими частей растения, а нередко и весом атмосферных осадков – дождевой воды, снега, росы, изморози. Статически или почти статически действует и давление масс воздуха при ветре с установившейся скоростью.

Динамически воздействуют порывы ветра, удары дождевых капель (и града).

Атмосферные осадки могут быть для органов растений 1) статической нагрузкой и 2) динамическим механическим фактором. Статически органы растений нагружаются либо водой в твердом виде, как при выпадении снега, образования (при чередовании морозов и оттепелей) ледяной корки, изморози, либо жидкой водой (при выпадении дождя, при осаждении росы).

Тяжесть снега может быть чрезвычайно серьезной нагрузкой, изгибающей наклоненные ветви и отвесные стебли (например, стволы деревьев). Снеговая нагрузка на облиственные деревья оказывается столь значительной, что у некоторых деревьев, например, у лип, у остролистного клена обламываются крупные ветви, а в более редких случаях рушатся и стволы. В районах со снежной зимой деревья и кустарники лиственных древесных пород теряют на зиму листву, и обычно первый снегопад лишь довершает, вместе с осенними ветрами и дождями, опадение листьев, уже подготовленных путем образования при основании черешка отделительного слоя, к отделению от ветвей.

Механическая прочность ствола и ветвей хвойных древесных пород обеспечивается их конструктивными особенностями: ось ствола занимает строго вертикальное положение, форма его почти строго цилиндрическая (точнее сказать, форма тела вращения, близкого к параболоиду); в силу этих особенностей и правильного мутовчатого расположения ветвей нагрузка от снега, как и от веса ветвей, такова, что ствол работает в строительно-механическом отношении как прямая колонна с центрированной нагрузкой, и, если нагрузка вдоль оси не достигает критической величины, изгиб от вертикальных нагрузок исключен. Кроме того, ветви, особенно у елей, с их долговечными и охвоёнными ветвями, весьма гибки, поэтому под тяжестью снега ветви, изгибаясь, значительно ослабляют нагрузку на ствол; при изгибе ветвей часть снега обрушивается; нагрузка от тяжести снега в направлении, перпендикулярном к упругой линии ветви, снижается; изгибающие моменты уменьшаются еще в силу уменьшения величины плеча нагрузки.

Нагрузка от дождевой воды или росы, прилипающей к поверхности листьев и осевых органов, может быть весьма значительной.

Динамической механической нагрузкой по отношению к органам растения атмосферные осадки могут являться в виде града и в виде крупных капель дождя. Удары градин, особенно крупных, являются катастрофическими для растений: под их действием опадают с растений бутоны, цветки, мелкие листья, веточки. Из листьев, лепестков выбиваются куски или образуют крупные разрывы.

Действие ветра, как фактора, вызывающего изгиб (а при большой его интенсивности и излом) органов растений, требует от растений, приспособленных к достаточному сопротивлению механическому воздействию ветра, усиления пропорций размеров органов по мере возрастания их длины; в силу приспособления к механическому действию собственной тяжести, размеры поперечных сечений органа должны с его увеличением возрастать в большей мере, чем его высота (длина).

Стволы и ветви, крупных растений обычно более долговечны, чем у менее крупных. Поэтому они претерпевают чрезвычайно большое число повторяющихся изгибов в противоположных направлениях, то есть подвержены опасности «усталости». В связи с этим требуется снижение напряжений и, соответственно, увеличение размеров поперечных сечений. Сила ветра, действующего на растения, обычно возрастает по мере удаления от поверхности почвы. Поэтому высокие растения находятся в менее благоприятных условиях по отношению к механическому действию ветра, чем менее крупные; по мере укрупнения растения его наземные органы должны становиться все более и более «неуклюжими», пропорции размеров их более громоздкими». По отношению к статическим нагрузкам рациональной, целесообразной, является малая длина органа и удаление сопротивляющегося материала на периферию.

При динамической нагрузке рационально увеличение длины органа, так как увеличение не влечет за собой сильного повышения парусной поверхности органа» [19].

Влияние динамических нагрузок должно быть учтено путем внесения коррективов в лесоводственные мероприятия, что позволит снизить распространение ветровалов, ветроломов, снеголомов, распада древостоев, предотвратить снижение биологической устойчивости, продуктивности лесов и их эстетической ценности.