Učme sa od stromov

Na francúzskom pobreží Atlantiku si fyzik Claus Mattheck prvý raz uvedomil, že stromy sú už milióny rokov schopné riešiť problémy, nad ktorými si zúfajú aj tí najlepší inžinieri.
Pred desiatimi rokmi narazil počas letnej dovolenky v Bretónsku na rozseknutú starú borovicu, ktorej korunu dvakrát zlomili zúriace búrky. Zakaždým na torze vyrašili konáre, aby vytvorili novú korunu. Obidva šľahúne, tvarované do polkruhu, stáli nad sebou na rozlomenom kmeni a vytvárali spolu jedno veľké drevené „S". Na jeho špičke sa presne kolmo na starý kmeň zdvíhala náhradná koruna. Starý piesočný veterán, aj keď ohnutý a skrivený, úspešne vzdoroval chladnému morskému podnebiu.

Uznávaný fyzik Mattheck, odborník na biomechaniku a náuku o škodách, sa čudoval najmä odolnosti tejto piesočnej borovice. Podľa jeho technického chápania a skúseností so zlomovosťou mechanických stavebných dielov boli totiž ohyby koruny veľmi ľahkým terčom útoku pre ostré morské vetry. Pozoruhodné stretnutie pri Atlantiku vyvolalo veľmi čudnú štúdiu. Mattheck chcel zistiť, ako stromy dokážu uniesť svoju vlastnú, často úctyhodnú hmotnosť a vzdorovať víchriciam a snehu. Urastený buk váži okolo 6000 kilogramov a pri niekoľkotonovom pôsobení vetra je naozaj obdivuhodné, že za týchto podmienok dosahuje výšku až 20 metrov.

Skúmanie tohto pozoruhodného javu rovnováhy pripadlo Mattheckovým kolegom z výskumného ústavu v Karlsruhe spočiatku trocha exotické. Dnes sa však z tohto spojenia medzi prírodnou a technikou stal samostatný odbor -biomechanika. Je disciplínou bioniky, zaoberajúcou sa technickým riešením problémov podľa prírodných vzorov.

Rast stromu sa stal tiež začiatkom nového spôsobu riešenia mechanických súčiastok strojov. Mattheckov tím totiž predviedol spôsob, akým sa strom prispôsobuje prostrediu, do počítačového programu, ktorý tento proces stimuluje a graficky zobrazuje. Biomechanici z Karlsruhe začali podľa tohto systému vylepšovať výrobky, ktoré sú za normálnych okolností náchylné na zlomenie, napríklad články reťaze alebo ortopedické skrutky. Nové varianty vydržia oproti predchádzajúcim až stokrát dlhšie a sú navyše oveľa ľahšie.

Prírodou nadšený Mattheck začal podrobnú štúdiu stromov v Porýní pri Karlsruhe. Detailne skúmal predovšetkým potenciálne miesta zlomu - diery v strome, rázsochy, odklony od priameho rastu. V technike sa miesta, na ktorých sa stavebné diely väčšinou pri trvalom zaťažení lámu, označujú ako záseky či vruby. Ak napríklad žeriav dvíha náklad, ohýba sa jeho rameno vždy pod váhou nákladu ľahko dolu. V kove tak vzniká silné ťahové a tlakové napätie. Ak nie je pnutie rovnomerne rozložené, stáva sa situácia kritickou. V týchto chvíľach sa na zásekoch vytvárajú tzv. napäťové špičky. Nebezpečenstvo sa však objavuje aj pri trvalej prevádzke pod touto kritickou hranicou. Napäťové špičky vyvolávajú jemné trhliny, ktoré sa čoraz viac prehlbujú. Napätie stúpa a materiál napokon podľahne.

Inžinieri tento problém samozrejme dobre poznajú. Zisťujú teda najväčšie zaťaženie najslabšieho miesta a vypočítaná hodnota sa stáva základnou veličinou pre celý stavebný diel. Nevýhody tohto riešenia sú celkom zrejmé: obrábaný predmet je predimenzovaný, má väčšie zaťaženie a spotrebúva tak viac energie, než je pre jeho funkciu nevyhnutné. Je teda neekonomický.

Podobne ako žeriav reaguje na tlak vetra kmeň stromu a jeho konáre. Napriek tomu sa však väčšina stromov v miestach zásekov neláme. Namieste je teda otázka: Sú stromy tiež predimenzované, alebo našla príroda iné riešenie?

V botanickej literatúre našiel Mattheck len málo údajov o tom, čo vlastne drží borovice alebo platany pokope. Odborníci z výskumného ústavu teda začali riadnu štúdiu v teréne a vymeriavali či fotografovali konáre, vidlice stromov a výnimočné rastové formy. Údaje o 10 000 jednotlivých stromoch spracovali na záver počítačom. Výsledok dlhoročnej starostlivej práce: evolúcia našla geniálne jednoduché riešenie problému napätia vrubov. Aby strom predišiel napäťovým vrcholom, ukladá na miestach vrubov viac dreva - ale len a len na týchto neuralgických miestach. Práve to zaručuje, aby sa napätie medzi tlakom a ťahom, ktoré vzniká napr. za silného vetra, rovnomerne rozložilo po celej ploche stromu.

Odborníci z Karlsruhe postupne odhaľovali nové a nové tajomstvá stability. Strom je už na základe svojich buniek modelovým príkladom
odolnosti a pevnosti. Steny buniek ihličnanov pozostávajú z celulózy v ktorej sa ukladá tlakuvzdorný lignín - drevovina. Zlepením do dhých, ako vlások tenkých častí sú teda schopné odolávať vlastnej hmôtnosti a sile vetra a odvádzať ich cez kmeň a korene do zeme.

Veľmi veľa lignínu sa nachádza predovšetkým na strane kmeňa, ktorá je od vetra odvrátená, a teda vystavená tlaku, ďalej na spodných stranách konárov. Najvyšší obsah lignínu je presne tam, kde je tlak najvyšší. Celkom opačne sa lignín ukladá pri listnatých stromoch. Drevité vlákna s vysokým podielom celulózy sa ťahajú po veternej strane kmeňa a na horných stranách konárov. Najvýznamnejšou vlastnosťou tejto látky je teda pevnosť v ťahu. Drevité vlákna prestupujú drevo smerom do stredu a zásobujú jeho živé tkanivo živinami a vodou. Statický vedľajší efekt: letokruhy sú čoraz zovretejšie a zabraňujú, aby sa pri bočných výkyvoch stromu či ohybu konárov proti sebe stretli jednotlivé vrstvy dreva.

Dizajnéri z Karlsruhe už poskytli vyše 30 licencií rôznym firmám z mnohých výrobných odvetví. Inžinierom z automobilových závodov Opel v Russelheime sa podarilo znížiť hmotnosť držiaka motora o celú štvrtinu. Optimalizácia rôznych detailov sa výrazne prejavila aj v celkovej hmotnosti. Vďaka podobným inováciám možno ušetriť aj životné prostredie. Ľahšie stroje šetria nielen suroviny, materiál a energetické náklady, ale znižujú aj objem škodlivín vznikajúcich pri ich výrobe a využití.

Prírodnú metódu chce Claus Matthec využiť aj v prospech prírody samotnej. Mnohé stromy sa rúbu predčasne, pretože sa ľudia obávajú ohrozenia cestnej dopravy alebo chodcov. Odborníci z Mattheckov-ho tímu sú schopní tieto nebezpečné stromy rýchlo rozoznať. Vypukliny, nádory a praskliny sú totiž dostatočnými signálmi budúcich defektov mechanického napätia.

Claus Mattheck považuje ideálne stromy za rovnako fádne ako krásu fotomodeliek. Výnimočné stromy sú na riešenie biomechanických problémov oveľa vhodnejšie. Na mechanicky porušenom strome možno totiž oveľa lepšie preskúmať základný axióm konštantného napätia a teda aj pravidlá rastu.

Mattheckov špecifický špôsob pozorovania stromov presvedčil pestovateľov stromov na celom svete. S nápravou stromov za každú cenu však tento zapálený biomechaník nesúhlasí. Mechanické pomôcky, ako napr. oceľový korzet pre labilné buky alebo vylievanie stromových kotlín betónom, označuje právom za barbarstvo: „Aj strom má právo vo všetkej úcte zostarnúť a zomrieť."