Експериментальне визначення механічної стійкості дерев до вібраційних навантажень
The trees stability under transport traffic vibrations is discussed in the paper. It is studying the vibration damping on the stem of several species. Among examined species the most stable to vibrations ones are Pseudotsuga menziesii (Mirbel) Franco, Platanus orientalis L., Magnolia kobus Thunb., C...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
M.M. Gryshko National Botanical Garden of the NAS of Ukraine
2011
|
| Online Zugang: | https://www.plantintroduction.org/index.php/pi/article/view/509 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Plant Introduction |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Plant Introduction| _version_ | 1860122790878773248 |
|---|---|
| author | Netsvetov, M.V. |
| author_facet | Netsvetov, M.V. |
| author_sort | Netsvetov, M.V. |
| baseUrl_str | https://www.plantintroduction.org/index.php/pi/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2019-12-02T18:49:08Z |
| description | The trees stability under transport traffic vibrations is discussed in the paper. It is studying the vibration damping on the stem of several species. Among examined species the most stable to vibrations ones are Pseudotsuga menziesii (Mirbel) Franco, Platanus orientalis L., Magnolia kobus Thunb., Corylus colurna L., Acer ibericum M. Bieb. ex Willd., Juglans nigra L., Larix decidua Mill. There are factors of plantborne vibration damping discussed in the paper. |
| doi_str_mv | 10.5281/zenodo.2544871 |
| first_indexed | 2025-07-17T12:43:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
86 ISSN 1605-6574. Інтродукція рослин, 2011, № 2
УДК 58.031
М.В. НЕЦВЕТОВ
Донецкий ботанический сад НАН Украины
Украина, 83059 г. Донецк, пр. Ильича, 110
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ
УСТОЙЧИВОСТИ ДЕРЕВЬЕВ К ВИБРАЦИОННЫМ НАГРУЗКАМ
Обсуждается устойчивость деревьев к вибрации почвы, вызванной движением транспорта. Исследовано затухание
вибрации при переходе с почвы на деревья разных видов, которое служило основным критерием устойчивости. Сре-
ди исследованных видов наибольшей механической устойчивостью к вибрациям обладают Pseudotsuga menziesii
(Mirbel) Franco, Platanus orientalis L., Magnolia kobus Thunb., Corylus colurna L., Acer ibericum M. Bieb. ex Willd., Juglans
nigra L., Larix decidua Mill. Обсуждаются факторы, снижающие амплитуду вибрации на дереве.
© М.В. НЕЦВЕТОВ, 2011
Движение автомобильного и железнодо-
рожного транспорта является источником
интенсивного акустического и вибрацион-
ного фона вблизи дорог [1]. Известен нега-
тивный эффект шума и вибрации на чело-
века, однако их действие на растительный
организм исследовано недостаточно. Виб-
рации могут оказывать как негативное, так
и положительное влияние на растения [5].
В отдельных работах исследованы реакции
растений на звук [10]. Нами ранее было по-
казано, что вибрации с параметрами, при
которых не происходит значимых измене-
ний ростовых показателей, оказывают су-
щественное влияние на всхожесть семян и
рост проростков злаков при наличии в рас-
творе для замачивания (или полива) хими-
ческих медиаторов — солей тяжелых ме-
таллов или органических стимуляторов [4,
7]. В связи с этим становится очевидной не-
обходимость подбора видов древесных рас-
тений для насаждений вблизи дорог с уче-
том их устойчивости не только к химичес-
ким загрязнителям, но и к физическому
(акустическому и вибрационному) воздейс-
твию транспорта.
Механическая устойчивость (или ста-
бильность) дерева изучается прежде всего
как способность противостоять статичес-
ким и динамическим нагрузкам, например,
ветровым [9]. Механическая устойчивость
определяется механическими свойствами
тканей растения, жесткостью ветвей кор-
ней и ствола дерева, аэродинамической
структурой кроны и корневой системы [2].
В случае вибрационной нагрузки от дви-
жения автотранспорта понятие устойчивос-
ти базируется в первую очередь на коэф-
фициенте прохождения упругой волны из
окружающей среды (почвы) на растение:
C = ((Z
2
–Z
1
)/(Z
2
+Z
1
))2, где Z
1
и Z
2
— соот-
ветственно волновое сопротивление дре-
весных тканей и почвы [3]. Из приведенной
формулы видно, что чем больше различа-
ются волновые сопротивления почвы и
древесных волокон, тем меньшая доля
энергии вибрации почвы будет передана
дереву. Видовые отличия растений по ме-
ханическим свойствам древесины позволя-
ют подбирать состав пород деревьев с вы-
сокой механической устойчивостью к виб-
рационному воздействию автотранспорта.
Если под устойчивостью понимать C, то ее
можно определить теоретически по изме-
ренным значениям плотности и модулю
упругости древесины и почвы [3]. Однако
следует учитывать, что вибрация, пере-
данная дереву почвой, распространяясь по
дереву, затухает в зависимости от вязко-
эластических свойств древесных волокон,
размера ствола и морфологии коры. Поэто-
му для определения наиболее устойчивых
87ISSN 1605-6574. Інтродукція рослин, 2011, № 2
Экспериментальное определение механической устойчивости деревьев к вибрационным нагрузкам
к действию вибрации деревьев необходимо
провести экспериментальное исследова-
ние.
Цель исследования — эксперименталь-
ное определение механической устойчивос-
ти некоторых видов деревьев к вибрации
почвы.
Материалы и методы
Объект и место проведения исследования.
В работе изучали деревья, произрастаю-
щие в Донецком ботаническом саду НАН
Украины, прошедшие первичную интро-
дукцию и акклиматизированные в услови-
ях юго-востока Украины, обладающие де-
коративными качествами и являющиеся
перспективными для применения в зеле-
ном строительстве.
Возбуждение и регистрация вибраций
почвы и дерева. Вибрацию (упругую попе-
речную волну) почвы индуцировали мето-
дом «тест-удара» с помощью ударника. Дан-
ный метод широко применяется в технике
для определения дефектов и собственных
частот конструкций, а также при исследо-
вании колебаний растений [8]. Для регис-
трации вибраций использовали пьезоэлек-
трические датчики, которые соединяли с
осциллоскопом фирмы «Velleman». Запись
осциллограмм проводили на почве вокруг
дерева на расстоянии от 0,15 м до 1 м от
ствола, а также на стволе на высоте 30 см.
Определение механической устой чи-
вос ти дерева к вибрациям. Затухание ви-
брационного сигнала на почве определяли
с учетом параметров измеренной зависи-
мости амплитуды упругой волны от прой-
денного ею расстояния. В качестве основ-
ного критерия механической устойчивос-
ти использовали отношение (Uo) амплитуд
виб рации почвы на расстоянии 30 см от
ствола дерева и на стволе на высоте 30 см.
Влияние корней, расположенных вблизи
поверхности почвы, на амплитуду вибра-
ции ствола определяли при ее возбужде-
нии в разных точках окружности вокруг
ствола. Эффективность передачи вибра-
ции над поверхностными корнями опре-
деляли как разницу (ΔUо) относительных
амплитуд вибрации, прошедшей от источ-
ника к стволу над корнями и в случае их
отсутствия.
Результаты и обсуждение
Упругое возмущение на почве, вызванное
ударом, индуцировало затухающую по-
верхностную упругую волну, которая рас-
пространялась со средним коэффициентом
затухания (9,8±3,7) дБ/м (рис. 1). Вблизи
отдельных деревьев он составлял от 1,59 до
14,36 дБ/м. Распространение вибрации с
почвы на дерево сопровождалось снижени-
ем ее амплитуды, величина которого зави-
сила от места возбуждения упругой волны
вокруг ствола. В эксперименте с Platanus
orientalis L. упругое возмущение создавали
на расстоянии 70 см от ствола поочередно в
нескольких точках окружности вокруг де-
рева. Затухание вибрации было минималь-
ным, если ее возбуждение осуществляли
напротив корней, основание которых было
на поверхности почвы. На рис. 2 это точки,
которые соответствует 90 и 180 градусам.
Разница между минимальным и макси-
мальным затуханием (ΔUо) в точках 90 и 0
градусов соответственно составила 6,9 дБ.
Для всех исследованных деревьев, у ко-
торых можно было определить направление
Рис. 1. Затухание амплитуды упругой волны на по-
верхности почвы в зависимости от пройденного ею
расстояния
88 ISSN 1605-6574. Інтродукція рослин, 2011, № 2
М.В. Нецветов
разных деревьев значительно варьировала,
но в большинстве случаев она была статис-
тически достоверной (табл. 1).
Для определения отношения амплитуд
упругой волны на почве у ствола и на ство-
ле эксперимент проводили на участке во-
круг дерева с отсутствием или минималь-
ным количеством поверхностных корней.
Как показано в табл. 2, максимальные
значения Uо характерны для Pseudotsuga
men ziesii (Mirbel) Franco (n=5), Platanus
orientalis (n=1), Magnolia kobus Thunb.
(n=1), Larix decidua Mill. (n=3), Juglans nig-
ra L. (n=3), Corylus colurna L. (n=5), Acer
ibericum M. Bieb. ex Willd. (n=5). С мини-
мальным затуханием вибрация проходит
на деревья Crataegus submollis Sarg. (n=3),
Fagus orientalis Lipsky (n=1), Ginkgo biloba
L. (n=2), Liriodendron tulipifera L. (n=2),
Metasequoia glyptostroboides Hu et W.C.
Cheng (n=2), Pinus ponderosa Dougl. ex
C. Laws. (n=1), Quercus robur L. (n=3), Ta-
xus baccata L. (n=3). Из приведенных дан-
ных видно также, что малым затуханием
обладают в основном невысокие деревья с
малым диаметром ствола. Коэффициент
корреляции относительной амплитуды с
высотой и диаметром ствола составил 0,51
и 0,62 соответственно.
Поскольку исследованные деревья каж-
дого вида имели близкие значения высоты
и диаметра ствола, то для исследования
связи между затуханием вибрации при пе-
реходе с почвы на дерево и диаметром
ствола были изучены несколько деревьев
Quercus rubra L. с разным диаметром ство-
ла. Как показано на рис. 3, деревья с наи-
большими диаметрами стволов обладают
наибольшими значениями относительной
амплитуды, то есть затухание вибрации на
них выше.
Увеличение амплитуды вибрации при
малом диаметре ствола, вероятно, обу-
словлено его изгибными колебаниями, ко-
торые вызывает упругая волна почвы.
Данный эффект диаметра предсказан тео-
рией С.П. Тимошенко [6] и эксперимен-
Рис. 2. Относительная амплитуда вибрации при ее
прохождении с почвы на ствол Platanus orientalis L.
в зависимости от места возмущения на почве во-
круг дерева (пояснения в тексте)
Таблица 1. Разница относительных амплитуд
вибрации (ΔUо) при ее распространении по почве
над поверхностными корнями дерева и при их
отсутствии
Вид
ΔU
о
,
д
Б
У
р
о
в
е
н
ь
з
н
а
ч
и
м
о
с
т
и
Acer ibericum M. Bieb. ex Willd. 2,7 0,001
Corylus colurna L. 4,7 0,001
Crataegus submollis Sarg. 4,3 0,001
Ginkgo biloba L. 3,1 0,001
Juglans nigra L. 6,2 0,001
Larix decidua Mill. 6,3 0,001
Magnolia kobus Thunb. 6,9 0,050
Pinus flexilis James. 4,1 0,001
P. ponderosa Dougl. ex C. Laws. 4,4 0,001
Platanus orientalis L. 4,4 0,001
Pseudotsuga menziesii (Mirbel)
Franco
7,5 0,001
Quercus robur L. 2,8 0,001
Q. rubra L. 3,3 0,078
роста корней вблизи поверхности почвы,
были характерны более высокие значения
амплитуды вибрации, если между местом
ее возбуждения и стволом находились та-
кие корни. Разница между максимальным и
минимальным затуханием вибрации вокруг
89ISSN 1605-6574. Інтродукція рослин, 2011, № 2
Экспериментальное определение механической устойчивости деревьев к вибрационным нагрузкам
тальными исследованиями [8], в ходе кото-
рых было выяснено, что изгибные колеба-
ния большой амплитуды характерны для
растений с относительно небольшим диа-
метром.
Другим важным критерием при выборе
пород, устойчивых к вибрации, является
толщина коры и ее морфологические осо-
бенности. У крупных деревьев Quercus
rubra толщина коры на высоте 50 см сос-
тавляет более 1,5 см, она плотно и равно-
мерно покрывает ствол. Для определения
роли коры в гашении вибрации проведен
эксперимент в двух вариантах: 1) при воз-
буждении упругой волны ударником по
стволу и регистрации ее на расстоянии
50 см от ствола; 2) после освобождения от
коры части ствола, куда наносили удар и
регистрировали вибрацию. В результате
было выявлено, что после удаления коры
изменение амплитуды составило 10,8 дБ,
то есть она возросла в 12 раз.
У Corylus colurna кора чешуйчатая, ее
верхние слои неплотно прилегают к ниж-
ним и фактически являются демпферами
(смягчителями вибраций). В эксперименте
мы провели две серии опытов: в первой из-
Таблица 2. Относительная амплитуда вибрации (Uо), высота и диаметр ствола дерева
Вид Uо, дБ Высота, м Диаметр основания, см
Acer ibericum –13,2 ± 1,23 6,0 ± 0,5 28,0 ± 0,5
Corylus colurna –13,6 ± 2,49 9,0 ± 1,0 37,5 ± 2,5
Crataegus submollis –3,9 ± 1,38 6,0 ± 1,0 28,0 ± 2,5
Fagus orientalis –4,7 ± 2,06 6,5 ± 0,5 27,5 ± 1,0
Ginkgo biloba –5,7 ± 1,47 6,0 ± 0,5 19,5 ± 0,5
Juglans nigra –11,4 ± 0,94 9,5 ± 1,5 38,0 ± 2,5
Larix decidua –12,1 ± 1,57 8,5 ± 1,5 28,0 ± 2,0
Liriodendron tulipifera –3,0 ± 2,48 6,0 ± 1,0 18,0 ± 1,5
Magnolia kobus –15,0 ± 1,55 6,5 ± 0,5 33,0 ± 0,5
Metasequoia glyptostroboides –5,7 ± 3,60 6,5 ± 0,5 23,0 ± 0,5
Pinus flexilis –9,7 ± 1,16 2,7 ± 0,2 14,0 ± 0,5
P. ponderosa –3,59 ± 1,37 2,6 ± 0,2 9,0 ± 0,5
Platanus orientalis –19,3 ± 2,18 12,0 ± 0,5 43,0 ± 1,0
Pseudotsuga menziesii –21,7 ± 1,48 10,5 ± 2,0 34,0 ± 2,0
Quercus robur –3,28 ± 0,81 12,0 ± 1,0 35,5 ± 3,0
Taxus baccata –4,24 ± 1,25 2,7 ± 0,5 5,5 ± 1,5
Рис. 3. Зависимость относительной амплитуды
вибрации при переходе с почвы на дерево от
диамет ра ствола Quercus rubra L.
меряли вибрации при интактной коре, во
второй — после снятия верхнего слоя. Было
выяснено, что разница в амплитуде вибра-
ции при ее стандартном возбуждении при
интактной и снятой коре составляет 7,4 дБ.
Таким образом, при наличии коры ампли-
туда была ниже примерно в 5,5 раза.
Выводы
Затухание амплитуды вибрации при ее про-
хождении с почвы на деревья исследованных
90 ISSN 1605-6574. Інтродукція рослин, 2011, № 2
М.В. Нецветов
видов варьирует от –(3,28±0,81) до –(21,7±
±1,48) дБ. Деревья с малым диаметром ство-
ла являются менее устойчивыми к вибрации
почвы из-за возбуждения изгибных колеба-
ний большой амплитуды. Затухание вибра-
ции на стволе дерева в значительной степени
обусловлено наличием и морфологическими
свойствами коры. При наличии корней, рас-
положенных близко к поверхности почвы,
затухание вибрации при переходе с почвы
на дерево снижается. Среди исследованных
видов максимальным затуханием вибрации
при переходе с почвы на ствол обладают
Pseudotsuga menziesii, Platanus orientalis,
Mag nolia kobus, Corylus colurna, Acer iberi-
cum, Juglans nigra, Larix de ci dua.
Перспективы дальнейших исследова-
ний. Полученные результаты определяют
два направления дальнейших исследова-
ний: 1) исследование влияния аэродинами-
ческой структуры кроны и механических
свойств древесных волокон на устойчивость
деревьев к вибрациям грунта и к ветровым
нагрузкам; 2) формирование схем зеленых
насаждений, ограничивающих распростра-
нение вибраций грунта, которые индуциру-
ются движением транспорта.
1. Нецвєтов М., Суслова О. Вібраційний вплив
автомобільного транспорту на дерева придорож-
них смуг // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. біол. — 2008. —
Вип. 48. — С. 75–82.
2. Нецветов М.В., Хиженков П.К., Суслова Е.П.
Введение в вибрационную экологию. — Донецк,
2009. — 165 с.
3. Нецветов М.В., Суслова Е.П. Механическая
устойчивость деревьев и кустарников к вибраци-
онным нагрузкам // Промышленная ботаника. —
2009. — С. 60–67.
4. Нецветов М.В. Совместное действие вибра-
ции и химических медиаторов на рост ячменя //
Промышленная ботаника. — 2008. — С. 35–40.
5. Растительная клетка при изменении гео-
физических факторов / Под ред. В.Ф. Машанско-
го. — К.: Наук. думка, 1984. — 136 с.
6. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упру-
гости. — М.: Наука, 1975. — 576 с.
7. Хиженков П.К., Нецветов М.В. Накопление
свинца растениями под влиянием электрических
токов и вибраций // Екологія та ноосферологія. —
2006. – № 1–2. — С. 51–54.
8. Casas J., Magal C., Sueur J. Dispersive and
non-dispersive waves through plants: implications
for arthropod vibratory communication // Proc. R.
Soc. B. — 2007. — 274. — P. 1087–1092.
9. James K.R., Haritos N., Ades P.K. Mechanical
stability of trees under dynamic loads // Am. J. Bot. —
2006. — 93. — P. 1522–1530.
10. Jeong M.-J., Shim C.-K., Lee J.-O. et al. Plant
gene responses to frequency-specific sound signals //
Mol. Breeding. — 2008. — 21. — P. 217–226.
Рекомендовал к печати П.Е. Булах
М.В. Нецвєтов
Донецький ботанічний сад НАН України,
Україна, м. Донецьк
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИЗНАЧЕННЯ
МЕХАНІЧНОЇ СТІЙКОСТІ ДЕРЕВ ДО
ВІБРАЦІЙНИХ НАВАНТАЖЕНЬ
Обговорюється стійкість дерев до вібрації ґрунту,
спричиненої рухом транспорту. Досліджено зга-
сання вібрації при переході з ґрунту на дерева різ-
них видів, яке слугувало основним критерієм стій-
кості. Серед досліджених видів дерев найбільшу
механічну стійкість до вібрацій мають Pseudotsuga
menziesii (Mirbel) Franco, Platanus orientalis L., Mag-
nolia kobus Thunb., Corylus colurna L., Acer ibericum
M. Bieb. ex Willd., Juglans nigra L., Larix decidua Mill.
Обговорюються чинники, що знижують амплітуду
вібрації на дереві.
M.V. Netsvetov
Donetsk Botanical Garden, National Academy
of Sciences of Ukraine, Ukraine, Donetsk
EXPERIMENTAL EXAMINATION OF TREES
MECHANICAL STABILITY UNDER SOILBORNE
VIBRATIONS
The trees stability under transport traffic vibrations
is discussed in the paper. It is studying the vibration
damping on the stem of several species. Among ex-
amined species the most stable to vibrations ones are
Pseudotsuga menziesii (Mirbel) Franco, Platanus ori-
entalis L., Magnolia kobus Thunb., Corylus colurna L.,
Acer ibericum M. Bieb. ex Willd., Juglans nigra L.,
Larix decidua Mill. There are factors of plantborne
vibration damping discussed in the paper.
|
| id | oai:ojs2.plantintroduction.org:article-509 |
| institution | Plant Introduction |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2025-07-17T12:43:11Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | M.M. Gryshko National Botanical Garden of the NAS of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwplantintroductionorg/b1/1628c9a22b3b67784726c1436718d7b1.pdf |
| spelling | oai:ojs2.plantintroduction.org:article-5092019-12-02T18:49:08Z Experimental examination of trees mechanical stability under soilborne vibrations Експериментальне визначення механічної стійкості дерев до вібраційних навантажень Netsvetov, M.V. The trees stability under transport traffic vibrations is discussed in the paper. It is studying the vibration damping on the stem of several species. Among examined species the most stable to vibrations ones are Pseudotsuga menziesii (Mirbel) Franco, Platanus orientalis L., Magnolia kobus Thunb., Corylus colurna L., Acer ibericum M. Bieb. ex Willd., Juglans nigra L., Larix decidua Mill. There are factors of plantborne vibration damping discussed in the paper. Обговорюється стійкість дерев до вібрації ґрунту, спричиненої рухом транспорту. Досліджено згасання вібрації при переході з ґрунту на дерева різних видів, яке слугувало основним критерієм стійкості. Серед досліджених видів дерев найбільшу механічну стійкість до вібрацій мають Pseudotsuga menziesii (Mirbel) Franco, Platanus orientalis L., Magnolia kobus Thunb., Corylus colurna L., Acer ibericum M. Bieb. ex Willd., Juglans nigra L., Larix decidua Mill. Обговорюються чинники, що знижують амплітуду вібрації на дереві. M.M. Gryshko National Botanical Garden of the NAS of Ukraine 2011-06-01 Article Article application/pdf https://www.plantintroduction.org/index.php/pi/article/view/509 10.5281/zenodo.2544871 Plant Introduction; Vol 50 (2011); 86-90 Інтродукція Рослин; Том 50 (2011); 86-90 2663-290X 1605-6574 10.5281/zenodo.3377771 en https://www.plantintroduction.org/index.php/pi/article/view/509/486 http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | Netsvetov, M.V. Експериментальне визначення механічної стійкості дерев до вібраційних навантажень |
| title | Експериментальне визначення механічної стійкості дерев до вібраційних навантажень |
| title_alt | Experimental examination of trees mechanical stability under soilborne vibrations |
| title_full | Експериментальне визначення механічної стійкості дерев до вібраційних навантажень |
| title_fullStr | Експериментальне визначення механічної стійкості дерев до вібраційних навантажень |
| title_full_unstemmed | Експериментальне визначення механічної стійкості дерев до вібраційних навантажень |
| title_short | Експериментальне визначення механічної стійкості дерев до вібраційних навантажень |
| title_sort | експериментальне визначення механічної стійкості дерев до вібраційних навантажень |
| url | https://www.plantintroduction.org/index.php/pi/article/view/509 |
| work_keys_str_mv | AT netsvetovmv experimentalexaminationoftreesmechanicalstabilityundersoilbornevibrations AT netsvetovmv eksperimentalʹneviznačennâmehaníčnoístíjkostíderevdovíbracíjnihnavantaženʹ |