A1 Windwiderstand und mechanischer Schaden

Thema

Mechanische Windschäden entstehen, wenn der Wind auf Stamm und Äste der Pflanze drückt. Dieser Druck erzeugt eine Widerstandskraft, die mit der Windgeschwindigkeit und der Größe der dem Luftstrom ausgesetzten Fläche zunimmt. Die Widerstandskraft biegt Stamm und Äste, wodurch Biegespannungen im Holzgewebe entstehen: Je größer die Widerstandskraft, desto größer die Biegespannung, der der Stamm standhalten muss.

Die Biegespannung wird ständig mit der Festigkeit des Holzes verglichen. Solange die Biegespannung unterhalb der Festigkeit des Holzes bleibt, biegt sich der Stamm und kehrt durch eine elastische Rückstellkraft in seine ursprüngliche Position zurück, sodass keine dauerhaften Schäden entstehen. Überschreitet die Biegespannung bei einem einzelnen starken Windereignis einen Schwellenwert, der der Festigkeit des Holzes entspricht, kommt es zu einem Stammbruch: Das Holzgewebe bricht abrupt und wird unterbrochen. Bleibt die Biegespannung hingegen unterhalb dieses Schwellenwerts, tritt aber bei aufeinanderfolgenden Windereignissen erneut auf, ermüdet das Holzgewebe. Diese Ermüdung führt zu einer allmählichen Abnahme der Holzfestigkeit, bis selbst mäßige Biegebeanspruchung ausreicht, um den Stamm zum Bruch zu bringen.

Um den Luftwiderstand zu verringern, reagiert die Pflanze adaptiv, indem sie die dem Luftstrom ausgesetzte Stirnfläche durch eine aerodynamische Umstrukturierung ihrer Äste und Blätter verringert. Diese falten sich und richten sich in Windrichtung aus. Durch die Verringerung der Stirnfläche sinkt der Luftwiderstand, was zu einer geringeren Biegebeanspruchung des Stammes führt und den Zusammenhang zwischen der Reaktion der Pflanze und dem verursachenden Luftwiderstand schließt. Neben der aerodynamischen Umstrukturierung reagiert die Pflanze auch mit einer Vergrößerung des Stammdurchmessers durch Thigmomorphogenese. Dieser Prozess wird durch die mechanische Reibung des Windes am Stamm ausgelöst. Zudem wird dichteres Holz im Holzgewebe gebildet. Sowohl der größere Stammdurchmesser als auch die höhere Holzdichte erhöhen die Widerstandsfähigkeit des Holzmaterials im Stamm. Daher liegt die Biegespannung, die zuvor die Bruchschwelle des Stammes erreichte, nun unterhalb dieser Schwelle. Dadurch wird die Widerstandsfähigkeit des Holzes gegenüber nachfolgenden Windereignissen wiederhergestellt.

Ist der Boden, der das Wurzelsystem der Pflanze stützt, wassergesättigt, ist der Widerstand des Stammes nicht mehr der bestimmende Faktor für mechanische Schäden. In diesem Fall wird die vom Stamm übertragene Zugkraft auf das Wurzelsystem übertragen. Der gesättigte Boden führt zum Ausreißen der Wurzeln, wodurch die gesamte Pflanze aus dem Boden gehoben wird, anstatt dass der Stamm bricht. Das Ausreißen der Wurzeln dient somit als Alternative zum Stammbruch, wenn der gesättigte Boden dem Wurzelsystem die notwendige Unterstützung zur Abwehr der Zugkraft entzieht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass elastische Verformung, Stammbruch, Materialermüdung und das Ausreißen der Wurzeln die verschiedenen möglichen Folgen windbedingter mechanischer Schäden an der Pflanze darstellen. Die adaptiven Reaktionen der Pflanze – aerodynamische Umgestaltung, die die Stirnfläche und damit den Luftwiderstand verringert, sowie Thigmomorphogenese und erhöhte Holzdichte, die die Festigkeit des Holzmaterials erhöhen – bestimmen, ob es der Pflanze gelingt, die Biegespannung unterhalb ihrer Schadensschwellen zu halten, oder ob im Gegenteil windbedingte mechanische Schäden zu Stammbrüchen oder Wurzelausrissen führen.

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