¿Posible altura y tamaño de un árbol gigante en un planeta similar a la Tierra?

Estoy trabajando en una historia sobre otra dimensión de esta misma Tierra pero sin el mismo desarrollo humano e historia. La tierra y las condiciones naturales serían las mismas excepto por aquellas directamente afectadas/creadas por humanos.

En esta dimensión, quiero una sociedad humana que viva EN ciudades-árbol (ciudades creadas dentro de árboles gigantes). Ya he pensado en la "tecnología" posible para eso y cómo algunos árboles seleccionados se volvieron gigantes (versión corta: los humanos son realmente buenos en bioingeniería en esta dimensión). Los árboles serían de especies diferentes autóctonas de cada zona (península ibérica, en este caso).

Sin embargo, no estoy seguro de cuán grandes podrían ser esos árboles, pero estoy seguro de que existen limitaciones físicas para eso.

No quiero una ciudad enorme, pero me gustaría que el árbol pudiera ser lo suficientemente grande como para contener un mínimo de mil personas, pero, ¡cuanto más, mejor!

Entonces, básicamente, ¿qué tan grande (alto y ancho) podría ser un árbol manteniendo las leyes físicas de la Tierra?

Si necesitas más información o detalles, ¡aquí estoy!

editar: las necesidades adicionales del árbol (como más nutrientes para seguir creciendo o esos nutrientes que llegan a las partes necesarias de los árboles) son manejadas por los humanos que viven en él.

editar: para ser más específicos, ya que parece que la pregunta no es lo suficientemente clara. No sé mucho sobre física, pero pensé que tal vez la atmósfera o el peso de las ramas/hojas podrían afectar su tamaño.

Hay un libro que fue escrito solo para ti. Es la Escala de Geoffrey West .

Respuestas (5)

Consideración puramente mecánica de la altura máxima

El árbol más alto no puede ser más alto que la altura a la que la presión hacia abajo de su propio peso excede su fuerza de compresión .

La madera más fuerte tiene una resistencia a la compresión de unos 40 MPa (cuando está verde, es decir, viva) a unos 60 MPa (cuando está seca, es decir, muerta durante mucho tiempo). Digamos que tenemos una supermadera con una resistencia a la compresión de 60 MPa mientras el árbol está vivo. La densidad de las maderas fuertes es de alrededor de 0,75 a 0,8, pero hagamos un poco de trampa y que sea 0,6. En estas condiciones, la altura máxima de un árbol de supermadera de este tipo no puede exceder los 1000 m, porque los árboles más altos aplastarían la madera en la base por su propio peso.

Fuerza comprensiva Densidad Altura máxima Roble vivo real, verde 0 0 37.5   MPa 0.80 0 470   metro Fantástica supermadera, verde 0 0 60.0   MPa 0,60 1000   metro Los mejores ladrillos (para comparar) 0 100.0   MPa 2.00 0 500   metro Acero Inconel 718 (para comparación) 1000.0   MPa 8.20 1200   metro

(En esta tabla, "altura máxima" significa la altura teórica máxima de una columna hecha del material respectivo).

En cuanto al diámetro máximo...

Los árboles se vuelven más gruesos de 5 a 10 mm/año; digamos que Fantastic Superwood aumenta su diámetro en la friolera de 50 mm/año. En 10.000 años alcanzaría un diámetro de 500 m, lo que lo convertiría en un árbol gigantesco alucinante, pero todavía bastante estrecho para una ciudad...

Por supuesto, los está vaciando seriamente, así que eso también debe tenerse en cuenta.
Creo que en realidad aumentaría la altura, tal vez significativamente, pero no tengo las habilidades de ingeniería para respaldar eso.
Despreciaste las fuerzas de tensión sobre la madera debido a la relación de Poisson. Esto es particularmente importante considerando que la resistencia a la tracción perpendicular al grano es pequeña
@Prasser: Tienes razón, por supuesto. El problema es que no tengo idea de cómo explicar el efecto con suficiente claridad. Los lectores que puedan estar interesados ​​pueden comenzar con el artículo de Wiki sobre [proporción de Poisson]) en.wikipedia.org/wiki/Poisson%27s_ratio ). Lo que sucede es que a medida que la madera se comprime axialmente por su propio peso, tenderá a expandirse radialmente, induciendo una deformación en la dirección perpendicular al eje; esto es malo, porque la resistencia de la madera es mucho menor para los esfuerzos perpendiculares a la fibra.
¿Esta respuesta no supone que el árbol es una columna exacta? Si es significativamente más ancho en la parte inferior (imagine una forma de cono), entonces las fuerzas hacia abajo sobre la madera en la parte inferior se reducirían en gran medida y permitirían una altura mucho mayor. Si tengo tiempo más tarde, intentaré hacer los números en eso.
@DarrenH: Para este tipo de cálculo no importa. En una aproximación bruta, la presión vertical estática de cada centímetro cuadrado en la base es igual al peso de la columna de madera encima. El ensanchamiento de la base no ayuda mucho con las fuerzas verticales; ayuda con las fuerzas laterales , mencionadas por Passer By en el comentario anterior. (Cuando un material se comprime, tiende a expandirse lateralmente; el ensanchamiento de la base ayuda a resistir esta fuerza de expansión lateral).
@AlexP cuando hablamos de fuerza, ¿no estamos hablando realmente de presión?
@DarrenH: Sí, lo hacemos.

Terry Pratchet en su novela Long Cosmos tenía árboles de millas de altura. Esto fue en una tierra alternativa donde los niveles de oxígeno eran más altos, pero por lo demás era tierra. Sus árboles fueron infundidos con hidrógeno para soportar su peso y sortearon las limitaciones de las hojas en el puesto de RonJohns usando sacos para transportar agua por canales huecos usando gas hidrógeno. No recuerdo los detalles sobre cómo se separó el hidrógeno, pero thinknit tenía que ver con un hongo simbiótico.

El punto es que si va a utilizar la manipulación genética, ¿por qué permitir que las limitaciones de nuestros árboles sean sus límites? Siempre y cuando haya una justificación para cualquier atributo que tengas. (Un ejemplo, sus árboles pueden crecer tan alto porque modificaron las proteínas que forman las paredes celulares para que sean similares a la seda de araña, aumentando su fuerza).

Y finalmente, asegúrese de considerar las consecuencias de árboles muy grandes en su mundo. Oxígeno más alto, por ejemplo. O puntos de vista diferentes sobre la recolección de madera (¿hay leyes que digan que los que construyen en el árbol no pueden dañar el árbol, o está permitida la poda selectiva?)

Esta es una gran creatividad! Del mismo modo, los humanos podrían hacer ingeniería física real además de la bioingeniería (es decir, reforzar físicamente las ramas, etc.)

https://www.livescience.com/14667-tall-trees-grow.html

Dos fuerzas opuestas principales afectan la altura de un árbol; uno lo empuja hacia arriba mientras que el otro lo mantiene presionado. Al analizar la interacción entre estas fuerzas, un equipo de biólogos dirigido por George Koch de la Universidad del Norte de Arizona calculó la altura máxima teórica del árbol, o el punto en el que las fuerzas opuestas se equilibran y el árbol deja de crecer. Este punto se encuentra en algún lugar entre 400 y 426 pies (122 y 130 m) .

"A medida que los árboles crecen, el aumento del estrés hídrico de las hojas debido a la gravedad y la resistencia a la longitud del camino puede, en última instancia, limitar la expansión de las hojas y la fotosíntesis para un mayor crecimiento en altura", escribieron los biólogos en un artículo de 2004 en la revista Nature. Este límite se encuentra en o justo por encima de 400 pies.

Por lo tanto... no hay ciudades en los árboles cuando sigues tu deseo de "(mantener) las leyes físicas de la Tierra".

EDITAR después de cambiar la pregunta: nadie ha estudiado qué tan grandes podrían crecer los árboles si los humanos mejoraran la capilaridad / transpiración. Para crecer alto, un árbol debe tener raíces profundas y crecer a lo ancho para tener estabilidad. Pero puede alejar eso con la mano de la misma manera que aleja la gravedad tirando contra las fuerzas capilares/de transpiración.

Pero las necesidades de los árboles son proporcionadas por humanos y tienen la tecnología para manejar esos problemas (nutrientes proporcionados por la fotosíntesis y demás).
@Sombrapluma leíste el artículo? Las secuoyas crecen tan altas porque están en excelentes condiciones para crecer. Pero eventualmente la gravedad supera la fuerza de bombeo hacia arriba. Si va a rechazar "(mantener) las leyes físicas de la Tierra", elimine la etiqueta basada en la ciencia y haga que los árboles crezcan tan altos como desee.
@Sombrapluma para simplificar la respuesta de RohJohn: las cosas deben pasar de un extremo del árbol (raíces) al otro (hojas). La gravedad establece un límite estricto para eso, a 122-130 m. Tal vez, para su idea de las ciudades de los árboles, puede ver qué tan anchos pueden llegar a ser los árboles, no solo qué tan altos.
@RonJohn Leí el artículo, pero era un problema que ya había pensado. El mantenimiento del árbol lo hacen los humanos, por lo que el costo-efecto para que el árbol siga desarrollándose no sería el mismo, el árbol no necesitaría superar la fuerza de bombeo hacia arriba si son los humanos los que van allí y Hacer el trabajo.
@Galastel En realidad, estoy pidiendo tanto la altura como el tamaño (en general), lo editaré, para que sea más claro.
@Sombrapluma, si los humanos van a superar todos los impedimentos naturales para un crecimiento cada vez mayor, solo haz que los árboles crezcan tan alto como quieras.
@RonJohn No cambié la pregunta, fue la misma desde el principio. Acabo de aclarar el aspecto, para que la gente pueda entender mejor la pregunta (mira, dejé la pregunta en el título con la misma altura y tamaño, me refería al ancho pero el inglés no es mi primer idioma, así que suceden este tipo de cosas). Y he declarado desde el principio que los humanos podían hacer bioingeniería a altos niveles y vivían en el árbol. No hay necesidad de ser tan condescendiente.
@Sombrapluma: si está utilizando humanos como un deus ex arborum, ¿por qué no simplemente admitir que no va a seguir los límites físicos y seguir su camino?
@RonJohn Hay muchas historias sobre árboles súper altos de más de 300 pies de altura e incluso más de 400 pies de altura, Douglas Firs en el noroeste del Pacífico, California Redwoods y Mountain Ash en Australia, por ejemplo. Algunas historias hablan de árboles más altos que su límite de 400-426 pies. En 1872, supuestamente se midió que el "árbol de Ferguson" caído tenía 132,6 metros o 435 pies hasta un descanso por caída, donde el tronco todavía tenía tres pies de grosor, y se estimó que podría haber tenido más de 150 metros o 500 pies de altura.

La respuesta de RonJohn trata sobre los límites en la altura de los árboles, pero no parece haber un límite en el tamaño horizontal de un árbol, si elimina el límite de que el 'árbol' es un solo tallo.

Por ejemplo, considere las arboledas de álamos del oeste de los EE. UU. Estos son organismos únicos, que tienen muchos troncos conectados por un sistema de raíces compartido. Este https://en.wikipedia.org/wiki/Pando_(tree)/ cubre un área de 106 acres / 43 hectáreas y se estima que tiene unos 80.000 años. Hay otros de similar zona.

El tamaño parece estar limitado solo por las condiciones ambientales. Por lo general, crecen a lo largo de prados y arroyos de montaña, en áreas donde hay suficiente agua para mantenerlos (no sobreviven en los suelos circundantes más secos). Usando un poco de bioingeniería creativa, no sería difícil crear uno con troncos más grandes y una distribución más amplia.

En mi opinión, la realidad es un buen punto de partida:

https://en.wikipedia.org/wiki/General_Sherman_(árbol)

El artículo incluye algunos datos sobre árboles ahora muertos que se sabía que eran significativamente más grandes.

Sin embargo, lo que es más importante, el artículo señala que el 'General Sherman' es el árbol vivo de un solo tallo más grande del mundo. Si su gente de la otra Tierra da el paso de diseñar árboles de tallos múltiples, como los baobobs:

https://www.sciencenews.org/blog/wild-things/huge-hollow-baobab-trees-are-actually-multiple-fused-stems

... entonces, hipotéticamente, puede no haber límite para el diámetro de un "único" árbol de este tipo. En cuanto a la altura, todavía se enfrenta a la fuerza de la madera, pero eso puede no ser relevante si sus árboles de tallo fusionado pueden tener, digamos, un par de cientos de yardas de diámetro.