Some aspects of beech biomechanics: juvenile wood properties, sapwood pre-stress and growth forces
Quelques aspects de la biomécanique du hêtre : propriétés du bois juvénile, précontrainte dans l'aubier et forces de croissance
Résumé
The building of a tree is the result of wood growth through successive division, expansion and maturation of living cells at the periphery of the trunk and branches. During this process, diameter growth is combined with sapwood pre-stress to allow posture control by the generation of growth forces in the living wood cells. These mechanical aspects of tree building can be characterised at each peripheral position by parameters describing the amount of material produced, wood rigidity and the strain induced by the maturation process. In-situ assessment of maturation strains at the trunk periphery of beech trees, combined with laboratory measurements of ring width (RW), wood density (D) and wood specific modulus (SM), was used to examine biomechanical aspects of juvenility corresponding to young stages of the tree, as well as the correlation or trade-off between sapwood pre-stressing and the generation of forces in the living wood layer used to control tree posture. The radial variations of RW, D and SM, averaged over 86 trees, were close to the “typical radial pattern” of juvenile wood for softwood plantation trees: decrease in RW and increase in D and SM from pith to bark in the juvenile phase. But D only increased in the very first rings, then remained more or less constant. Furthermore, for all three parameters there were many discrepancies in the pattern of variation between trees and even between plots. This is a good indication that the mechanical juvenility of the wood was more related to the biomechanical conditions experienced by the trees in the young ages than to the age of the tree as such (which is the case for fibre length). The level of pre-stress and posture control forces were strongly dependent on the maturation strain as the first explanatory factor. But pre-stress is independent of RW, whereas posture control force is strongly dependent on this growth parameter. This opens the way to trade-offs between these two biomechanical functions of wood fibres.
La construction d'un arbre est le résultat de la croissance du bois par division, expansion et maturation successives des cellules vivantes à la périphérie du tronc et des branches. Au cours de ce processus, la croissance en diamètre est combinée à la précontrainte de l'aubier pour permettre le contrôle de la posture par la génération de forces de croissance dans les cellules vivantes du bois. Ces aspects mécaniques de la construction des arbres peuvent être caractérisés à chaque position périphérique par des paramètres décrivant la quantité de matière produite, la rigidité du bois et la déformation induite par le processus de maturation. L'évaluation in situ des contraintes de maturation à la périphérie du tronc des hêtres, combinée à des mesures en laboratoire de la largeur des cernes (RW), de la densité du bois (D) et du module spécifique du bois (SM), a été utilisée pour examiner les aspects biomécaniques de la juvénilité correspondant aux jeunes stades de l'arbre, ainsi que la corrélation ou le compromis entre la précontrainte de l'aubier et la génération de forces dans la couche de bois vivant utilisée pour contrôler la posture de l'arbre. Les variations radiales de RW, D et SM, moyennées sur 86 arbres, étaient proches du "schéma radial typique" du bois juvénile pour les arbres de plantation de résineux : diminution de RW et augmentation de D et SM de la moelle à l'écorce dans la phase juvénile. Mais D n'a augmenté que dans les tout premiers cernes, puis est resté plus ou moins constant. En outre, pour les trois paramètres, il existe de nombreuses divergences dans le schéma de variation entre les arbres et même entre les parcelles. Cela indique bien que la juvénilité mécanique du bois était davantage liée aux conditions biomécaniques subies par les arbres dans les jeunes âges qu'à l'âge de l'arbre en tant que tel (ce qui est le cas pour la longueur des fibres). Le niveau de précontrainte et les forces de contrôle de la posture dépendent fortement de la contrainte de maturation, qui est le premier facteur explicatif. Mais la précontrainte est indépendante du RW, alors que la force de contrôle de la posture est fortement dépendante de ce paramètre de croissance. Cela ouvre la voie à des compromis entre ces deux fonctions biomécaniques des fibres de bois.
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