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Effects of freezing on Young’s modulus for twigs of coniferous and deciduous trees and shrubs

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Abstract:

The mechanical behavior of frozen twigs may be important in understanding twig breakage during winter owing to wind or snow loading. While below 0°C temperatures are known to increase the stiffness of wood, few studies have examined the effects of cold temperatures on the biomechanical properties of twigs of both coniferous and deciduous woody plants. In this study, we compared the effects of–11 to–14°C temperatures on the Young’s modulus (E) of fine twigs of 14 species of woody plants. Twigs were 13%–304% stiffer when frozen than when thawed at room temperature (21°C), with conifers showing the greatest percentage increase in stiffness. In general, more flexible twigs (when thawed) showed the greatest percentage increase in E when frozen. Greater stiffening of more flexible twigs may in part be the result of higher water contents but may also reflect differences in the relative importance of supercooling and extracellular freezing, with greater frozen stiffness associated with freezing. Our work suggests a direct link between cell physiology and whole organ biomechanics, and highlights reasons for differences in susceptibility to breakage due to wind or snow loading.

Le comportement mécanique des rameaux gelés peut être important pour comprendre le bris des rameaux pendant l’hiver à cause du vent ou de l’accumulation de la neige. Bien qu’on sache que les températures inférieures à 0°C augmentent la rigidité du bois, les effets de températures froides sur les propriétés biomécaniques des rameaux des plantes ligneuses conifériennes ou feuillues n’ont pas beaucoup été étudiés. Dans cette étude, nous comparons les effets de températures allant de –11 à –14°C sur le module de Young (E) de rameaux fins de 14espèces de plantes ligneuses. Les rameaux gelés étaient 13% à 304% plus rigides que les rameaux décongelés à la température de la pièce (21°C) et le pourcentage d’augmentation de la rigidité était le plus élevé chez les conifères. En général, les rameaux les plus flexibles lorsqu’ils ne sont pas gelés connaissent la plus forte augmentation de E lorsqu’ils sont gelés. La plus grande rigidité des rameaux plus flexibles peut en partie être le résultat d’une teneur en eau plus élevée mais peut aussi refléter des différences dans l’importance relative de la surfusion et du gel extracellulaire, la plus grande rigidité des rameaux gelés étant associée au gel. Nos travaux indiquent qu’il pourrait y avoir un lien direct entre la physiologie cellulaire et la biomécanique de l’ensemble de l’organe et font ressortir les raisons qui expliquent les différences de sensibilité au bris causé par le vent ou l’accumulation de la neige.

Document Type: Research Article

Publication date: 2008-02-01

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  • Published since 1971, this monthly journal features articles, reviews, notes and commentaries on all aspects of forest science, including biometrics and mensuration, conservation, disturbance, ecology, economics, entomology, fire, genetics, management, operations, pathology, physiology, policy, remote sensing, social science, soil, silviculture, wildlife and wood science, contributed by internationally respected scientists. It also publishes special issues dedicated to a topic of current interest.
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