E4 Strukturmechaniker

Thema

Die Pflanzenbiomechanik erklärt, wie Pflanzengewebe ihre Struktur erhalten und äußeren Belastungen widerstehen. Dies geschieht auf zwei unterschiedliche Arten, je nachdem, ob das Gewebe verholzt ist oder nicht: Verholzte Gewebe, wie das Holz eines Baumstamms, widerstehen durch die mechanische Festigkeit ihres eigenen Materials, während nicht verholzte Gewebe, wie der Stängel eines Grases, durch den Turgordruck ihrer Zellen Widerstand leisten. Die mechanischen Eigenschaften von Pflanzengeweben werden jeweils durch die separate Betrachtung dieser beiden Mechanismen erklärt.

In verholzten Geweben beruht die Festigkeit des Holzes auf einer Verbindung aus Cellulose und Lignin: Innerhalb des Holzes liefert die Cellulose zugfeste Fasern, und das Lignin füllt und versteift die Zwischenräume zwischen diesen Fasern. Je mehr Lignin sich neben der Cellulose im Holzgewebe ablagert, desto größer ist die Festigkeit des resultierenden Holzes.

Die Festigkeit des Stammholzes wird geprüft, wenn Wind auf ihn einwirkt. Diese Windlast kann den Stamm auf zwei Arten destabilisieren: durch Biegung, wenn sich der Stamm aufgrund der senkrecht zur Stammachse wirkenden Windlast biegt, oder durch Knicken, wenn sich der Stamm plötzlich seitlich biegt, weil eine entlang seiner Achse wirkende Windlast seine Belastbarkeit übersteigt. Sowohl Biegung als auch Knicken hängen von der Festigkeit des Stammholzes ab: Je fester das Holz ist, desto mehr Windlast kann der Stamm aushalten, bevor Biegung oder Knicken ihn destabilisiert.

Die Widerstandsfähigkeit von Bäumen gegenüber Stürmen hängt letztendlich sowohl von der Holzdichte als auch von der Stammgeometrie ab: Eine höhere Holzdichte erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen Biegung und Knicken, und eine Stammgeometrie mit einem größeren Basisdurchmesser verteilt die Windlast auf eine größere Fläche. Somit bestimmen beide Eigenschaften Holzdichte und Stammgeometrie gemeinsam, wie viel Windlast der Baum aushalten kann, bevor seine Holzfestigkeit überschritten wird.

In nicht verholzten Geweben entsteht Steifigkeit jedoch nicht durch ein festes Material wie Holz, sondern durch den Turgor: Der Druck des Wassers im Inneren jeder Zelle auf ihre Zellwand hält diese straff. Je höher der Turgor der Zellen in einem nicht verholzten Gewebe ist, desto größer ist die resultierende Steifigkeit.

Derselbe Turgor, der durch den hydrostatischen Wasserdruck in jeder Zelle aufrechterhalten wird, sorgt auch für die aufrechte Wuchsform von Gräsern: Ohne Turgor verlieren die Zellen eines Grases ihre Festigkeit, und der Grashalm knickt ein, da er ohne den normalerweise straffen hydrostatischen Druck seine aufrechte Position nicht mehr halten kann.

Kurz gesagt, erklärt die Pflanzenbiomechanik zwei unterschiedliche Strukturstrategien innerhalb desselben Rahmens: Die Festigkeit des Holzes, die durch die Verbindung von Cellulose und Lignin aufrechterhalten und durch die Holzdichte und die Stammgeometrie moduliert wird, bestimmt die Widerstandsfähigkeit der Bäume gegen Stürme, während der Turgor, der durch hydrostatischen Druck aufrechterhalten wird, die Steifigkeit nicht verholzter Gewebe bestimmt und die aufrechte Haltung der Gräser aufrecht hält.

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