Jaké je nejtvrdší možné dřevo a kde by to byl praktický materiál?

Proč by někdo někdy použil „horší“ materiál k provedení konkrétní práce?

Všechny inženýrské projekty se snaží minimalizovat využití různých zdrojů k dosažení požadovaných výsledků; Často se používají „horší“ materiály, protože náklady a dostupnost daleko převažují nad účinností čisté materiálové účinnosti.

Například měděné vedení se používá téměř ve všech elektrických aplikacích. Proč? Protože je to dobrý levný vodič. Je to nejlepší dirigent? Ne; měděná elektrická vodivost 0,596 $ \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ je jen asi 95% stříbra 0,63 $ \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $. Co dělá měď žádanější pro více aplikací, její úsporu, je skutečnost, že stojí kolem $ \ $ 2,7 / \ text {lb} $ (v rozmezí 2–4 \ $ / lb za posledních 5 let) ve srovnání se stříbrem Cenová značka $ \ $ 267,8 / \ text {lb} $ (v rozmezí 200–500 \ $ / lb za posledních 5 let). Ve skutečnosti se řada aplikací pokouší převést na hliníkové vedení, protože hliník je 0,377 $ \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ je stále docela rozumné pro jeho nižší cenu $ \ $ 0,85 / \ text {lb} $ (v rozmezí 0,65 – 1,20 \ $ / lb za posledních 5 let).

Beton a ocel jsou v zásadě mědi pevnosti v tlaku, respektive pevnosti v tahu. Používají se ve většině mrakodrapů a jiných velkých stavebních projektech, protože dokážou účinně vykonávat svou práci za rozumnou cenu. Dřevo je obvykle používá se pro menší zakázky, kde čistá materiálová účinnost je méně důležitá než náklady spojené s vyšší dostupností a snadnou konstrukcí.

Pokud cena není limitujícím faktorem, mohou existovat další specifičtější konstrukční kritéria. Dřevo je dielektrikum (tj. Nekovové), a proto může být více žádoucí v aplikacích, kde by byly nežádoucí radiofrekvenční odrazy. Podobně je nemagnetický a nestává se magnetizován tak, jak to dělá železný kov, jako je ocel. Dřevo je také relativně lehké ve srovnání s betonem a ocelí, může být užitečné, když jsou mohutné fyzikální rozměry méně důležité než hustota materiálu.

Jaké nejtvrdší plemeno dřeva může existovat?

Na tuto otázku je o něco těžší odpovědět přímo čísly, ale obloha je limitem, pokud dovolíte ultrakururistické úrovně genetické modifikace.

Dřevo je vzhledem k jeho váze tak silné, protože je v podstatě přirozeně rostoucí metamateriál. Buňky rostliny mají stěny složené z celulózových vláken a spojených ligninových polymerů (které mají vysokou pevnost v tahu a v tlaku) a tvoří matici opakujících se krabic, které umožňují velkou tuhost i po velké části hmotnost vody uvnitř buněk byla vysušena. Bioinženýrství organismu, aby bylo silnější, by vyžadovalo pouze navrhnout lepší organické náhrady za celulózu a lignin (a / nebo optimalizované verze). Uhlíkové nanotrubice nebo grafenové desky zde nejsou úplně mimo oblast možností. Navrhování efektivnějších metamateriálových struktur je dalším způsobem, jak zlepšit vlastnosti dřeva ve velkém. Celulóza a lignin ze dřeva tvoří matrici stavebních bloků, které jsou většinou obdélníkové, což je v podstatě jednoduchá kubická krystalová mříž vytvořená z extracelulárních buněčných stěn. Inženýrské závody, které mají složitější vnitrobuněčnou podpůrnou strukturu, by mohly umožnit, aby se tyto struktury více podobaly strukturám diamantové kubické mřížky a o trochu zvýšily pevnost.

Komentáře

• Samozřejmě, jakmile ‚ znovu pěstujete grafenové / uhlíkové stromy, stále se to počítá jako “ dřevo „?
• Pokud máte nanoboty vytvářející rámec uhlíkových nanostruktur, máte více nanofactory než “ strom “ takže ‚ by nemělo smysl volat materiál “ dřevo „. Pokud však stále máte strom, který roste skládáním buňky za buňkou a jednoduše používá nanotrubice jako optimálně připravenou celulózu ve svých buněčných stěnách, proč jej nenazvat dřevem?
• Další dobrý příklad pro přidání pro elektroinstalaci by to byl hliník, který je ve skutečnosti lehčí a levnější než měď pro elektroinstalaci a z těchto důvodů se používá pro dlouhé nadzemní elektroinstalace, ale má řadu nevýhod to kompenzuje to u mnoha dalších aplikací, jako jsou domácí elektroinstalace a elektronika. A druhou stranou této mince je, že hliník je dobrou volbou pro dlouhé vysoké vysokonapěťové běhy navzdory jeho nižší vodivosti atd. Hliník vs. měď je dobrým příkladem různých výhod / nevýhod v různých scénářích.
• @JasonC Poslední věta odstavce o zapojení již zmiňuje, že Al je ještě levnější než Cu a je používán v některých aplikacích. ‚ se však nebudu podrobněji zabývat, protože se ‚ obávám, že by tuto otázku ohledně dřeva mohlo brát příliš mnoho detailů trochu příliš daleko od kolejnic.
• Ultra-futuristická genetická manipulace by také mohla vést k velmi zajímavé alternativě výroby, aby struktury vyrobené ze dřeva udržely organismus naživu! Vzhledem k tomu, že dřevo by bylo tak tvrdé, že by bylo těžké ho sklízet a zpracovat, takže místo toho jsou geneticky vylepšené stromy vysazeny na místě a pěstovány do požadovaného tvaru, možná prostřednictvím procesu, který zahrnuje externí nástroje, jako je osvětlení a mřížky.

Na stranu „nejtvrdšího dřeva“, ale pokud jde o aplikaci … tvrdá dřeva se obvykle používají v místech, kde chcete sílu, ale ne váhu. Věci jako rukojeti nástrojů, sportovní vybavení (například baseballové pálky a hokejky), nábytek atd.

Krychlová stopa z oceli je neuvěřitelně silná, ale je také neuvěřitelně těžká při hmotnosti 4900 liber (7900 kg / m ³ ). Krychlová stopa z tvrdého dřeva je obvykle blíže 800 kg / m ³ ).

Pokud jde o „nejlepší materiál pro tuto práci“, vždy jsem upřednostňoval dřevěné hokejky, ale zabalené do dřeva v Kevlaru pomáhá s opotřebením od … No … Hokej. Jsou „lehké, mírně pružné, ale přesto neuvěřitelně silné. Moje první hokejka je stará více než 20 let a je stále použitelná i přes některé zásahy z drsnějších her.

Pokud jde o stavbu …Ocel a beton jsou samozřejmě silnější a v mnoha případech trvanlivější, ale „jsou mnohem těžší a jsou také mnohem dražší.

Také … Nejtvrdší možné dřevo opravdu záleží na aplikaci a na tom, zda mluvíte o jednoduché desce nebo kompozitní vrstvě.

Komentáře

• Také: dřevo je považováno za ekologičtější než beton / ocel, může lépe odolávat extrémnímu chladu, …

Žádáte nejtvrdší dřevo nebo nejsilnější? Jsou to dvě různé věci.

Bubinga je nejsilnější dřevo, jaké znám, s modulem protržení (ohybem) 24 410 lb $ _ \ text {f} $ / v $ ^ 2 $ (168,3 MPa), ale pevnost v tlaku (stlačení) je pouze 10 990 lb $ _ \ text {f} $ / v $ ^ 2 $ (75,8 MPa), méně než poloviční pevnost v ohybu.

Pamatujte, že pevnost v tlaku velmi závisí na orientaci zrno na napětí, síla může být až desetkrát menší, když je napětí kolmé na zrno.

Komentáře

• Chtěli přidat dva věci zde: 1) Je možné použít něco jako hydraulický lis ke stlačení vůle před rukou, čímž se zesílí. 2) Je možné posílit dřevo sledováním / ovlivňováním jeho ‚ s růstu. Např. v chladném počasí by rostl pomaleji – tedy těsnější letokruhy a kompaktnější dřevo. Může to ovlivnit také odstraňování větviček a větví – dříve se to dělo například na stromech určených pro okenní rámy.
• Existuje Ipe (“ Brazilský ořech “ ačkoli to není pravý ořech) s modulem Ruputre 177 MPa a drtivou silou 93,8 MPa.

Lignum vitae se ve strojírenství používá po staletí. Kromě hustoty a houževnatosti má také neobvyklou vlastnost, že je samomazný.

Mnoho hydroelektrických turbín je stále stále vyrobeno pomocí lignum vitae pro ložiska a řada starších hydro schémat je s ložisky lignum vitae stále v provozu i po desetiletích.

Také se široce používalo pro nižší namáhání / nižší -teplotní ložiska v automobilech a jiných vozidlech. Zejména konce táhla / táhla byly v předválečných automobilech vždy vyrobeny z lignum vitae, což u některých značek přetrvávalo až do šedesátých let.

Komentáře

• Mimochodem: Před několika desítkami let jsem absolvoval prohlídku přehrady Point du Bois na řece Winnipeg. Přehrada byla postavena v roce 1911. Turbíny byly vodorovné osy s předními koncovými ložisky z Lignum vitae a mazané kapačkou vody. V roce 1983 stále používali původní ložiska.
• @SherwoodBotsford Zajímavé – díky!

Pokud hledáte pouze nejtvrdší dřevo, můžete se podívat na zkamenělé dřevo .

Připomíná to dřevo na pohled, ale nabídlo by to kamennou pevnost. Přemýšlejte o jeho použití pro výrobu sloupů v budově, měli byste sloup, který vypadá jako strom, ale chová se jako kámen.

Z důvodu jeho špatného odporu byste ho těžko mohli použít jako trám. k trakci.

Komentáře

• Proč? Co skamenělé dřevo nabízí OP? V současné době to není nic jiného než odpověď pouze na odkazy, protože jednoduše opakuje jednu část názvu otázky a poté poskytuje odkaz na článek na Wikipedii.
• @MichaelKj ö rling, děkuji za váš komentář. Odpověď jsem rozšířil
• Ale zkamenělé dřevo už není ‚ t dřevo, je to ‚ s kámen. Podle těchto kritérií by byla keramická dlažba se zrnitým kamenem (dříve prodávaná pod značkou ‚ Strata ‚) ještě těžší.
• Zkamenělé dřevo nemusí ‚ vypadat jako dřevo nebo být hnědé. Vlastním několik příkladů, které mají barvu sádrokartonu.
• Jak dlouho trvá zkamenění dřeva? Mohli byste vyřezat dřevěnou konstrukci (trámy, klouby atd.) A pak celou věc zkamenět a poté znovu sestavit kamenné kusy? Poskytlo by to vůbec nějakou výhodu oproti vyřezávání kamene?

V materiálové vědě je to obrázek stejné síly působící na různé materiály stejných rozměrů.
První odpověď na otázku, „jak to snadno rozbít, je„ zdvojnásobit množství materiálu nebo dát podporu tam, kde je síla aplikována “.

Takže skutečná odpověď na vaši otázku není kde, ale proč a jak. Například přechod od dřevěných lodí k oceli byl diktován rozměry, které ocelová loď mohla mít. Na druhou stranu malé lodě byly levnější a lehčí, když vyrobeno ze skleněných vláken.
Stejně jako u domů, pokud chcete stavět rychle, nikoli důmyslně, použijete montované stavby. Ale dřevo je plastickější a volně dostupné. Takže byste mohli zlikvidovat svůj pozemek a mít materiál již na místě.

Komentáře

• Napsali jste “ Ale dřevo je plastickější „. Upravil bych a přidal chybějící slovo po ‚ more ‚, ale ‚ m nejste si jisti, co jste tam chtěli říct.
• @ Anon234_4521 se ‚ snaží říct, že dřevo je plastickější: plast ˈplastɪk / 2. (z látky nebo materiály) snadno tvarovatelné nebo tvarované. (upravené z en.oxforddictionaries.com/definition/plastic

Vaše otázky jsou velmi široké a nemají jednoznačnou odpověď. Jak bylo zmíněno v jiných odpovědích, „tvrdost“ nemá jediný význam.

Článek Wikipedia Hardness zmiňuje 3 hlavní „typy“ tvrdosti, ale i při použití jednoho stylu měřicího stroje lze pozorovat zcela odlišné (a protichůdné) hodnocení. Například tvrdý materiál je docela zbytečný, pokud měkne za deště nebo při vystavení slunečnímu záření nebo jak stárne. Samozřejmě můžete chránit povrch před sluncem a deštěm (do určité míry), ale existuje poměrně velký počet vlastností, které musí mít látka, aby byla „užitečná“.

Také a úplné zveřejnění zde nejsem botanik a nemám žádné znalosti o Buloke, ale Wikipedia říká, že je to druh Ironwood. Stejná tabulka, která jej uvádí na> 5000, uvádí Ironwood na ~ 3000. musí být velmi kritický tato čísla v nominální hodnotě. Ironwoods, vím o tom (velmi) trochu. Jednou z jejich vlastností je vysoký obsah oleje. To je dobré pro odpuzování vody (a chyb), ale vůbec to není dobré pro malování nebo kontakt s jinými povrchy, pokud jsou náchylné ke znečištění, protože (ne pokud) olej krvácí.

Jak říká předchozí odpověď nezaměňujte tvrdost se silou. Můj odhad na „nejtvrdší“ dřevo, které bychom mohli chovat / konstruovat, by bylo, že je stejně tvrdé jako nejtvrdší známý biomateriál. Myslím (ale nejsem si jistý), že jde buď o kalcit, aragonit, nebo o materiál, z něhož je vyrobena zubní sklovina, hydroxylapatit. Bylo by zajímavé určit, zda jsou biomateriály na bázi oxidu křemičitého ještě tvrdší, nepřekvapilo by mě to. (Diatoms a Radiolaria vyrábějí křemičité stěny). Vzhledem k tomu, že biomateriály jsou nanokompozity a mohou být 10krát „tvrdší“ než anorganický minerál, z něhož odvozují od, není opravdu možné (imho) říci, jaká je horní hranice tvrdosti. (Křemelina se používá jako brusivo, takže je to asi docela těžké.)

Pro materiál být užitečné, potřebuje nejen spoustu vlastností, aby odpovídaly konkrétní potřebě, ale ekonomika musí být příznivá (tj. nabídka materiálu je dobrá a poptávka také silná).

Test, který jste zmínili, byl ( pravděpodobně) navrženo (alespoň bylo vybráno) tak, aby bylo užitečné pro dřevo v aplikacích, ve kterých se dřevo používá. To znamená, že by bylo pravděpodobně zapotřebí dalších opatření, než bude konkrétní dřevo považováno za dostatečně tvrdé, aby fungovalo v nějakém neobvyklém , atypický způsob.

Zeptáte se na dvě otázky. Odpověď na první je A. Pokud jde o to, co je nyní známo n, redaktoři Wikipedie vědí víc než já, B. Pokud je to možné, je to do značné míry otevřené. Je jistě možné přimět rostlinu vyvinout kůži podobnou tvrdým materiálům nalezeným v živočišných (a mikrobiotických) královstvích. Najděte nejtvrdší biomateriál, který člověk zná, a můžete začít. Pokud chcete spekulovat, zvyšte jeho tvrdost 10x.

Odpověď na druhou. Nedal jsi nám všechny jeho vlastnosti. Jak jsem řekl, dát nám jedinou vlastnost a zeptat se, kde by to „mohlo“ být užitečné, pravděpodobně nezíská mnoho pronikavých odpovědí, je to příliš široká a vágní otázka. Jak se říká, v detailech jsou ďáblové. Tvrdé materiály se obvykle používají k ochraně jiných materiálů před poškozením, nebo právě naopak, používají se k poškození jiných materiálů. Takže použití jako povrchové vrstvy nebo jako brusivo by bylo moje první sklon.

Komentáře

• Myslím si, že tato odpověď by se výrazně vylepšila, kdybyste ji rozdělili do odstavců, použili příslušné formátování a podobné úpravy kopií . Porovnejte writers.stackexchange.com/q/26899/2533 .
• Myslím, že mám správné mezery mezi odstavci, ale neváhejte se vrátit zpět úpravy, pokud nesouhlasíte.

Myslím, že změním „Nejtěžší“ na “ Houževnaté a univerzální „protože zatím nemáme případ použití ke zúžení věci. Extrémně houževnatým a univerzálním dřevem v Severní Americe je však Osage Orange Maclura pomifera . Je také známý jako živý plot. Je to také mor každého, kdo má potřebu jeden z nich pokácet na svém vlastním dvoře.

1. Hedge Tree je pěkný drsný , nejtvrdší v Severní Americe s tvrdost Janka 2040, když je zelená a jak se vysychá, je těžší, údajně až 2700. To je asi dvakrát tolik jako u nejtvrdších dubů. Viděl jsem, že je doporučeno provádět jakékoli řezbářské práce, když je dřevo stále zelené, protože když uschne, nebudete moci.

2. Je to něco flexibilní . V kombinaci s tvrdostí se z něj stává ceněné dřevo od Bow Makers. Domorodí Američané by museli sklízet končetiny z Osage Orange dlouhou cestu. pro luky.

3. Je velmi odolný vůči hnilobě . Je často se používá pro plotové sloupky, protože vydrží pod zemí (v zemi) dlouhou a dlouhou dobu. Nedochází k plísním nebo plísním hluboko do dřeva. Zdá se, že chyby se dřevu vyhýbají. Ovoce se často používá jako přírodní repelent proti hmyzu.

4. Je to hustý . Toto dřevo pojídá motorové pily. I vím to z toho, že jsem musel jeden na mém dvoře pokácet. Bylo to asi 12 let a trvalo to, než jsem se dostal přes 3 řetězy motorové pily. Je pravda, že mám levnou motorovou pilu, ale přesto. Mimochodem stále mám velkou část kufru, který je těžký sakra a já s tím chci něco udělat, ale zatím nevím co.

5. to hoří horké ! Když se použije jako palivové dříví, uhasí to v BTU asi dvakrát více než většina odrůd dubu. Vypadá to hodně, takže to není dobré v otevřeném krbu, ale v zapečetěných kamnech na dřevo jsem byl schopen udržet svůj dům asi 80 stupňů F během sněhové bouře, kde venku bylo 12 f.

6. Roste v různých klimatických podmínkách a půdách . Používal se na Středozápadě k vytváření větrolamů a na pomoc s erozí půdy během Dust Bowl.

Takže co je možná nejtvrdší a nejuniverzálnější přírodní dřevo, jaké ve skutečnosti existuje, Osage Orange Maclura pomifera je vaším přítelem. Bylo by také dobrým základem pro jakýkoli druh opic kolem vás může chtít dělat s jeho geny.

Jak jsme ve Worldbuildingu, Předpokládá se určitý vývoj v genetickém inženýrství a vývoj proteinů, které katalyzují shromažďování atomů uhlíku v pravidelných strukturách.

Pak je možné, že by náš upravený strom mohl vybudovat stabilní čtyřboká krystalická forma uhlíku, alespoň v buněčném měřítku – možná jako buněčné stěny nebo vnitřní páteř. Jelikož je to stále strom, tyto malé struktury by pravděpodobně byly zabudovány do celulózové matrice, která může mít své vlastní slabosti.

Jejich konečná tvrdost by však byla jejich krystalická forma – diamant.

Jižní dub živý Quercus virginiana má tvrdost Janka 2 620 lbf (12 920 N), viz http://www.wood-database.com/live-oak/ Ne tak „silný“ jako některé jiné druhy, ale historicky to byla velmi důležitá součást americké stavby lodí, protože z dlouhých zakřivených končetin trámů bylo možné udělat žebra a další konstrukční trámy, aniž by musely být vyřezávány. To dodávalo trupu velkou sílu. Příkladem tohoto druhu stavby byl starý Ironsides. Živý dub byl tajnou zbraní stavby amerických lodí. Část otázky tvrdosti pevnosti má tedy co do činění s očekávanou formou.

Smrk letadla má jednu z nejvyšších pevností: hmotnostní poměry jakéhokoli přírodního materiálu – poněkud odlišný příklad, ale také pozoruhodný.

Doplňková odpověď. Dřevo je vyrobeno z celulózových vláken. Jak silná je celulóza?

Velmi silné. Zde je spousta podrobností: https://www.extremetech.com/extreme/134910-nanocellulose-a-cheap-conductive-stronger-than-kevlar-wonder-material-made-from-wood-pulp . Citace: „lehký, pružný, pevnější než ocel, tužší než Kevlar „… Je samozřejmě produkován stromem ve struktuře vylepšené evolucí (dlouhodobě) a prostředím (během života stromu), aby byl pro strom nejlépe použitelný. Musíme udělat trochu práce, abychom ji přetvořili na nanocelulózu, spíše než ji jen řezat do paprsků.

Dřevo obsahuje také přírodní lepidlo zvané lignin, které spojuje celulózová vlákna dohromady. Stejně jako je celulóza přinejmenším stejně silná jako naše nejlepší plasty, lignin je přinejmenším stejně dobrý jako naše nejlepší lepidla a pryskyřice. Až donedávna to bylo o řád lepší, ale naši chemici to dohnali a nyní můžeme dřevo lepit na dřevo tak silně, jako kdyby strom pěstoval dřevo do tvaru, který jsme chtěli (*). Zadejte Glulam. (Hrozný název: kontrakce lepeného laminátu, myslím). Každopádně si vygooglete „glulam“ a zjistíte, že lidé nyní staví ze dřeva malé mrakodrapy a plánují větší.Je to koneckonců váha pro váhu stejně silná jako ocel (a proti intuici více ohnivzdorné!) Glulam není totéž jako jednoduché řezané dřevo, takže architekti se stále cítí dobře a nejprve budování zkušeností a důvěry v menší struktury.

Jedná se o budování světa, takže tyto reference vám řeknou, co je možné (pomocí celulózy). Možná budeme moci pomocí genetického inženýrství přeprogramovat stromy, aby pěstovaly dřevo vhodnější pro naše vlastní potřeby. Nebo na planetě s vyšší gravitací mohla evoluce udělat totéž (jinak na této planetě nejsou žádné stromy). A je dokonce možné, že venku existuje lepší biopolymer než celulóza.

(*) mimochodem, středověcí stavitelé používali tvary, které strom vyrostl. Nenarazili dřevo na svévolně rovné, ale slabší trámy. Postavili obloukové střechy a lodě, které obsahovaly přirozeně zakřivené dřevo. Občas si trochu pohrávali s tvarem, do kterého strom dorůstal, zatímco byl malý a poddajný, pak počkejte století, než vytěžíte dřevo s křivkami, které potřebují. Nyní můžeme (nebo brzy) mít biotechnologii k řízení růstu stromu jemnějšími prostředky, než je vázání stromku na rámec. Máme však trpělivost?

Takže si nejste jisti, které dřevo je nejtvrdší, ale zde v Austrálii je druh železného dřeva byly historicky používány pro póly napájení. Jejich hustota a síla znamená, že jsou vysoce odolné proti hnilobě (menší problém ve vnitrozemí) a termitům (ještě důležitější). Použití oceli není tak dobrá volba, protože vede elektřinu. Před desítkami let byla železná dřeva přístupnější, protože jste je mohli vyřezat z okolního prostředí. Samozřejmě byly sklizeny a jejich velmi pomalu rostoucí strom již není udržitelným produktem ze dřeva. Také jsme lepší v izolaci ocelových stožárů a jejich tvarování z litého betonu.