植物の葉における脈系の巨視的構造と支持部材としての力学的特性の解明

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07650079
• Research Institution: Muroran Institute of Technology
• Principal Investigator: 小林 秀敏 室蘭工業大学, 工学部, 助教授 (10205479)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 浜田 恒平 室蘭工業大学, 工学部, 助手 (50002887) ; 臺丸谷 政志 室蘭工業大学, 工学部, 教授 (40002018)
• Keywords: 生体材料 / 植物 / 葉の構造 / 有限要素法 / 最適設計 / 曲げ変形

Research Abstract

卵型の葉身で,羽状葉脈系を持つ桜の葉を用いて,二次葉脈と中央脈との分岐の角度と分岐位置の関係,相互の太さの関係,葉のサイズと各葉脈の配置やサイズ(長さや太さ)の関係など,幾何学的関係を光学計測から明らかにした.また,中央脈や葉身部の引張試験を行い,それらの力学的性質を明らかにし,桜の葉の近似的な力学モデルを構築した.さらに,そのモデルを用いて有限要素法を用いた数値解析を行い,2,3の負荷に対する変形状況を把握した.得られた主な結果は、以下のとおりである。
1.桜の葉においては、中央脈とそれに続く二次脈の間の角度βは、葉幅の広いところでは小さくβ=30°であるが、その他の葉幅の広い部分ではβ=40〜60°であり、二次脈の太さは、葉柄に近いほど太く、また、二次脈の間隔も狭いことが明かとなり、力学的厳しい条件になると思われるところほど、強度の補強がなされていることがかった。また、これらのことは、葉のサイズに関係なく観察され、葉の形状も含めて極めて強い相似性が認められた。
2.中央脈や葉身部の引張試験から、中央脈の縦弾性係数と引張強度は、それぞれ、E=53.7MPa,σ_T=5.6MPaと得られ、葉身の縦弾性係数とポアソン比は、E=13.6MPa,v=0.51程度であることがわかった。
3.葉の力学モデルを用いた曲げ変形の数値計算から、葉身を支持するのに中央脈の寄与が最も大きいこと、均等肉厚モデルにすると極端に剛性が低下すること、二次脈は不均等に荷重が作用した場合に有効であるが、その寄与は小さいこと等が明かとなった。