Как найти плотность древесины в воде

Плотность древесины – одна из самых значимых ее физических характеристик, которая во многом определяет пригодность породы к тем или иным работам. Каждый плотник, столяр, токарь и резчик по дереву замечал разницу между липой и ясенем, а также то, как его инструмент справляется с ними. Опытные мастера, только покрутив в руках деревяшку, могут предположить, как она будет гнуться, стоит ли браться за ее обработку ручными резцами и какие нагрузки сможет выдержать получившееся изделие. На все это влияет плотность, но что это за показатель такой, и как он определяется?

Что такое плотность древесины?

Древесиной высокой плотности называют породы, структура волокон которых тесно сжата – то есть концентрация древесных клеток на квадратный сантиметр бруска выше, чем у менее плотной породы. Плотная древесина, как забитый людьми автобус – сопротивляется любому движению внутри, поэтому с ней сложнее работать. Чтобы прогнозировать податливость деревяшки до того, как она сточит под корень режущую кромку инструмента, нужно уметь определять ее плотность.

Некоторые бруски, вопреки привычным представлениям о древесине, стремительно тонут в воде. Кстати, это один из способов определения плотности — погружение в воду, но мы не советуем этим увлекаться, так как есть и менее радикальные методы. Все-таки, дерево не очень любит влажность.

На уроках физики нам рассказывали, что плотность – это соотношение массы тела к его объему. Если взвесить деревянный брусок, и получившееся значение разделить на перемноженные между собой величины его сторон, мы узнаем его плотность. Получается, что, сделав тоже самое с идентичным по размеру бруском другой породы, мы определим, какое дерево плотнее. Но не все так просто.

Древесина – крайне неоднородный материал. Она состоит из волокон древесного вещества и сети пустот разных размеров, которые формируются под влиянием множества факторов. По этим пустотам, как по каналам, разносятся вода и минералы, впитываемые корнями из земли.

Присмотритесь к этому торцевому сечению дуба — годичные кольца идут волнами и на разном расстоянии друг от друга, поры то тут, то там срастаются в сплошную линию, да еще и сердцевинные лучи идут с нарушенной геометрией. Очевидно, что это неоднородная масса:

В зависимости от условий, которые оказывали воздействие в момент нарастания волокон, даже находящиеся рядом части одного дерева могут быть в разной мере испещрены проводящими каналами. В сухой древесине они более или менее опустошены либо наполнены неиспаряемыми маслами, поэтому чем их больше, тем меньше масса бруска, а значит, тем меньше его плотность. Отличия могут быть значительными даже у образцов из одного дерева, что уж говорить о разных деревьях одной породы, которые росли в разных условиях? Эталона не существует, поэтому показатели довольно приблизительны и могут заметно варьироваться.

Раз уж мы упомянули сухую древесину, следует оговориться, что мы рассматриваем только материал, высушенный до влажности около 12%, чтобы не учитывать воду, которой все равно не останется в заготовке, пригодной к работе.

Итак, чем меньше в древесине пор в соотношении с древесным веществом, тем большую она имеет плотность. Хоть в мербау, например, пористость с торцевой стороны можно увидеть невооруженным глазом, а липа на первый взгляд кажется однородной, волокна первой породы туго стянуты друг с другом, в то время как структура липы рыхлая, с большим количеством воздуха в крошечных зазорах. Поэтому плотность не всегда определяется визуально, и она зависит не только от количества пор, но и от связки волокон между собой.

Слева на фото торцевой срез липы, справа — мербау. Хоть величина каналов у мербау значительно больше, липа полностью усыпана ими, что снижает ее плотность. К тому же, в порах мербау попадаются следы кремнезема и масел, которые увеличивают ее вес и, соответственно, удельную плотность:

На что влияет плотность древесины?

Мы уже упомянули, что более плотные породы сложнее обрабатываются, особенно ручными инструментами. Даже металл постепенно сдается после попыток разорвать структурные связи древесных волокон, поэтому режущую кромку приходится так часто затачивать. На это также влияет твердость, которая имеет прямую взаимосвязь с плотностью.

Твердые и плотные породы уместно обрабатывать инструментами с электроприводом (бормашинками, граверами), чтобы значительно ускорить и упростить процесс

Более твердые породы лучше выдерживают нагрузки и сопротивляются повреждениям, однако, как правило, хуже сгибаются и менее упругие.

Твердость определяется разными методами, самые распространенные из которых – это тесты Бринелля, Роквелла, Монин и Янка. Суть их сводится к вдавливанию предмета из металла или других прочных материалов в поверхность доски и высчитыванию коэффициента из размера образовавшейся лунки или силы, которая была приложена для этой манипуляции. Не важно каким из методов определена твердость, главное при сравнении пород ориентироваться на показатели одного и того же тестирования. Впрочем, каноничных значений все равно быть не может, так как невозможно получить абсолютно идентичные по структуре бруски, поэтому всегда есть некоторая погрешность и отличающиеся данные в разных источниках. Также важно понимать, что измерения тангенциального, радиального и торцевого куска дерева дадут разные показатели.

Так выглядит аппарат для проведения теста Янка:

Плотность древесины также влияет на ее способность к впитыванию. Рыхлый и пористый брусок стремительно впитывает влагу из воздуха и разбухает, но зато и лучше принимает защитные масла и пропитки.

Почему у разных пород древесины разная плотность?

Такова воля природы. Деревья растут и в жаркой пустыне, и в прохладных болотах, и в любых условиях стараются выжить. В средней полосе, где только зимой или в ветреную погоду приходится нелегко, растения имеют доступ к изобилию питательных веществ в увлажненной, умеренно теплой и вполне удобренной почве. Дерево, ни в чем себе не отказывая, насыщается через корни, камбий быстро разрастается, а волокна наполняются влагой. После сушки такая древесина сильно теряет в весе и, соответственно, в плотности.

Растениям в сложных климатических условиях приходится накапливать жизненно необходимые вещества внутри волокон. Они учатся вырабатывать масла, которые защищают их от засухи и насекомых. Постоянный дефицит и стресс делает деревья не только запасливыми, но и медленно растущими. Минимальное нарастание камбия в течение года делает годичные кольца практически неразличимыми, а недостаток влаги ведет к появлению масел в волокнах, которые не испаряются после усушки.

Промасленность некоторых пород чувствуется пальцами, а иногда и визуально — наприме, если обработать поверхность бруска растворителем:

Разные породы древесины зародились и прижились там, где смогли приспособиться к условиям, и растут в тесной взаимосвязи с окружающей флорой и фауной. Деревья улавливают любые изменения среды, отвечая на них адаптацией в самой структуре, поэтому даже внутри породы, семейства, рода и вида растения могут сильно отличаться друг от друга. В том числе и по плотности.

Эти породы произрастают на одном континенте в похожих погодных условиях, однако под микроскопом их структура сильно отличается:

Таблица плотности разных пород древесины

Для любителей чисел и сравнений мы сделали табличку с показателями плотности тех пород, которые встречаются у нас в ассортименте. Для наглядности писок отсортирован от большего к меньшему – от древесины, по тяжести сравнимой с камнем, до той, из которой делают невесомые поплавки.

Все показатели намеренно усреднены и не гарантируют, что купленный вами брусок им соответствует. Ведь, как мы уже говорили, дерево – живой и неоднородный материал, который не вписывается в строгие рамки и характеристики.

В

случае, когда весовое оборудование
недоступно (в полевых условиях), среднюю
плотность древесины определяют с помощью
закона Архимеда, погружая образец в
сосуд с водой. Для этого изготавливают
образец в форме продолговатого стержня
постоянного квадратного или круглого
поперечного сечения (рис. 4). Длину образца
измеряют и для приближенной оценки
плотности размечают на 10 равных частей,
после чего опускают вертикально в сосуд
с во­дой (рис. 4). По количеству делений
погрузившейся в воду части образца
определяют его среднюю плотность. Для
более точной оценки средней плотности
выступающую над водой часть образца
измеряют и рассчитывают среднюю плотность
древесины в состоянии естественной
влажности _m^W,
кг/м³
(г/см³)
по формуле

,
(14)

где
Н
– длина образца, м (см);

h
– длина надводной части образца, м (см);

ρ_в
– плотность воды (1 г/см³).

Результаты
испытаний заносят в табл. 4.

Таблица
4

Результаты
определения средней плотности древесины
в полевых условиях

Можно
определить среднюю плотность древесины
по бревну. В этом случае сталкивают
бревно или отпиленный от него диск
толщиной 10…15 см в воду и по его погружению
ориентировочно оценивают среднюю
плотность по графику (рис. 5).

Рис.
5.
Схема определения средней плотности
древесины по бревну

6. Определение усушки древесины

Как
уже отмечалось, древесина, являясь
капиллярно-пористым телом, находится
в состоянии постоянного влагообмена с
окружающей средой. Испарение из древесины
свободной влаги приводит только к
уменьшению ее веса, а вот испарение
связанной влаги, которая находится в
клеточных оболочках, приводит к уменьшению
их толщины и уменьшению поперечных
размеров клетки под действием сил
капиллярного стяжения. В результате
уменьшение влажности древесины ниже
предела гигроскопичности сопровождается
уменьшением ее линейных размеров и
объема. Это явление называется усушкой.

Поскольку
клетки в основном ориентированы продольно
ствола, наибольшая усушка древесины
наблюдается в поперечных направлениях.
Поперек волокон в тангенциальном
направлении усушка составляет 6…12 %, а
в радиальном в 1,5…2 раза меньше – 3…6 %.
Причины этого различия могут быть
связаны с разной жесткостью древесины
в радиальном и тангенциальном направлении.
Продольная усушка значительно меньше
и составляет 0,1…0,3 %. Значения усушки
для разных пород древесины представлены
в прил. 5.

Усушка
является отрицательным свойством
древесины, так как неравномерные
дефор­мации усушки в разных на­правлениях
сопровождают­ся возникновением
внут­ренних напряжений и яв­ляются
причиной растрес­кивания и коробления
пи­ломатериалов и деревянных изделий.
Чтобы избежать усушки в период эксплуатации
в помещениях, влажность изделий и
конструкций из древесины должна быть
близкой к равновесной (6…10 %). При
распиловке бревен на доски предусматривают
припуски на усушку с тем, чтобы после
высыхания пиломатериалы и заготовки
имели заданные размеры.

Для
определения усушки древесины изготавливают
образцы в форме прямоугольной призмы
с основанием 2020
мм и высотой вдоль волокон от 10 до 30 мм,
выпиливая их так, чтобы на торцовой
поверхности годичные слои располагались
параллельно одной паре противоположных
граней и перпендикулярны другой (рис.
6).

О
бразцы
погружают в сосуд с дистиллированной
водой температурой 205
С
и выдерживают до прекращения изменения
размеров, измеряя образцы микрометром,
штангенциркулем или индикаторной скобой
через каждые трое суток. Поперечное
сечение каждого образца измеряют
посередине радиальной и тангенциальной
поверхности, а длину – по расстоянию
между двумя центральными рисками на
торцовых поверхностях с точностью до
0,01 мм. Вымачивание прекращают, когда
разница между двумя последовательными
измерениями будет не более 0,02 мм (это
означает, что образцы находятся в
состоянии, соответствующем пределу
гигроскопичности).

Различают
полную усушку и усушку при уменьшении
влажности до нормализованной (равновесной).
Для определения последней водонасыщенные
образцы выдерживают при постоянных
заданных температуре и относительной
влажности воздуха до достижения
равновесной влажности (кондиционируют),
измеряя их через каждые 6 ч. Кондиционирование
прекращают, когда разница между двумя
последовательными измерениями будет
не более 0,02 мм. Допускается контролировать
кондиционирование методом последовательного
взвешивания по п. 2 (до постоянной массы).

Затем
образцы высушивают (доводят до абсолютно
сухого состояния) в сушильном шкафу до
постоянных размеров при температуре
1032
°С, измеряя через каждые 2 ч. Допускается
контролировать сушку образцов методом
последовательного взвешивания по п. 2
(до постоянной массы). После этого образцы
охлаждают до комнатной температуры в
эксикаторе с гигроскопическим веществом
(с относительной влажностью воздуха
около 0 %).

Полную
(максимальную) линейную усушку в процентах
вычисляют по формулам:

для
радиального направления

;
(15)

для
тангенциального
направления

;
(16)

для
направления вдоль волокон

,
(17)

где
r_max,
t_max
и l_max
– радиальный, тангенциальный и продольный
размеры образцов в водонасыщенном
состоянии, мм;

r_min,
t_min
и l_min
– радиальный, тангенциальный и продольный
размеры образцов в абсолютно сухом
состоянии, мм.

Результат
округляют с точностью до первого
десятичного знака.

Помимо
линейной усушки, вычисляют также полную
объемную усушку У_v^max,
%, по формуле

,
(18)

и
коэффициент объемной усушки K_v^у
в процентах на 1 % влажности по формуле

,
(19)

где
W_п
– предел насыщения клеточных стенок
древесины, %, принимаемый равным 30 %.

Значение
коэффициента объемной усушки округляют
с точностью до второго десятичного
знака.

Результаты
испытаний и вычислений заносят в табл.
5.

Таблица
5

Результаты
определения полной усушки древесины

При
необходимости определяют также усушку
древесины при уменьшении ее влажности
до нормализованной в процентах по
формулам:

для
радиального направления

;
(20)

для
тангенциального
направления

;
(21)

для
направления вдоль волокон

,
(22)

по
объему

,
(23)

где
r,
t
и l
– радиальный, тангенциальный и продольный
размеры образцов при нормализованной
влажности, мм.

Результаты
округляют с точностью до первого
десятичного знака и заносят в табл. 6.

Таблица
6

Результаты
определения усушки древесины

при
уменьшении ее влажности до нормализованной

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Доброе утро!

На бревно действуют 2 силы — сила тяжести Fт (направлена вниз) и архимедова сила Fа (направлена вверх).

Поскольку бревно плавает, то есть находится в равновесии, то эти силы равны по модулю:
Fт = Fа
Сила тяжести, как известно Fт = m*g, m — масса бревна, g = 9.8 м/с^2
Сила Архимеда Fа =ρв*g*V / 2, ρв — плотность воды, 1000 кг / м^3, всё делим пополам, поскольку в оду погружена половина объёма бревна

Приравниваем
ρв*g*V / 2 = m*g

Разделим обе части на g
ρв*V / 2 = m

Разделим обе части на  объём V
ρв/ 2 = m / V 
В правой части m / V = ρд  — плотность древесины (по определению)
Таким образом, плотность древесины
ρд = ρв/ 2

ρд = 1000 / 2 = 500 кг / м^3

Не забывайте оценивать ответы!

Условие задачи:

Кусок дерева плавает в воде, погружаясь на 0,75 своего объема. Какова плотность дерева?

Задача №3.3.14 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

(V_{п}=0,75V), (rho-?)

Решение задачи:

Так как кусок дерева плавает, то давайте запишем условие плавания тел:

[{F_А} = mg;;;;(1)]

Выталкивающую силу (силу Архимеда) (F_А) определяют по такой формуле:

[{F_А} = {rho _в}g{V_п}]

В этой формуле (rho_в) – плотность воды (равная 1000 кг/м³), (V_п) – объем погруженной части тела. Так как по условию тело погружено в воду частично и (V_{п}=0,75V), то:

[{F_А} = 0,75{rho _в}gV;;;;(2)]

Массу куска дерева (m) можно найти через произведение плотности дерева (rho) на полный объем (V):

[m = rho V;;;;(3)]

Подставим выражения (2) и (3) в равенство (1):

[0,75{rho _в}gV = rho Vg]

Значит плотность дерева равна:

[rho  = 0,75{rho _в}]

[rho  = 0,75 cdot 1000 = 750;кг/м^3 = 0,75;г/см^3]

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

3.3.13 К телу, сделанному из пробки, привязали веревку, другой конец которой закрепили
3.3.15 Кусок металла массой 0,78 кг весит в воде 6,8 Н, а в бензине – 7,1 Н. Определить
3.3.16 Кусок пробки плавает в банке с керосином. Какая часть объема пробки погружена