¿Cuál es la madera más dura posible y dónde sería un material práctico?

¿Por qué alguien usaría un material «peor» para hacer un trabajo específico?

Todos los proyectos de ingeniería buscan minimizar el uso de varios recursos para lograr los resultados deseados; Los materiales «peores» se usan con frecuencia porque el costo y la disponibilidad superan con creces la efectividad de la eficiencia del material puro.

Por ejemplo, el cableado de cobre se usa en casi todas las aplicaciones eléctricas. ¿Por qué? Porque es un buen conductor barato. ¿Es el mejor director? No; La conductividad eléctrica del cobre de $ 0.596 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ es solo alrededor del 95% de la plata «s $ 0.63 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $. Lo que hace que el cobre sea más deseable para más aplicaciones, su gracia salvadora, es el hecho de que cuesta alrededor de $ \ $ 2.7 / \ text {lb} $ (entre 2 y 4 \ $ / lb durante los últimos 5 años) en comparación con la plata «s Etiqueta de precio de $ \ $ 267.8 / \ text {lb} $ (rango de 200-500 \ $ / lb durante los últimos 5 años). De hecho, varias aplicaciones están intentando convertirse en cableado de aluminio porque el aluminio «s $ 0.377 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ sigue siendo bastante razonable debido a su menor costo de $ \ $ 0.85 / \ text {lb} $ (que oscila entre 0.65-1.20 \ $ / lb durante los últimos 5 años).

El hormigón y el acero son básicamente los cobres de resistencia a la compresión y resistencia a la tracción, respectivamente. Se utilizan en la mayoría de los rascacielos y otros grandes proyectos de construcción porque son muy buenos para hacer su trabajo de manera eficiente a un precio razonable. La madera suele ser Se utiliza para trabajos de menor escala donde la eficiencia del material puro es menos importante que los costos asociados con una mayor disponibilidad y facilidad de construcción.

Cuando el costo no es el factor limitante, pueden existir otros criterios de diseño más específicos. La madera es un dieléctrico (es decir, no metálico), por lo que puede ser más deseable en aplicaciones donde los reflejos de radiofrecuencia serían indeseables. De manera similar, no es magnético y no se magnetiza como lo hace un metal ferroso como el acero. La madera también es relativamente liviana en comparación con el concreto y el acero, puede ser útil cuando las enormes dimensiones físicas son menos preocupantes que la densidad del material.

¿Cuál es la clase de madera más dura que puede existir?

Esta pregunta es un poco más difícil de responder directamente con números, pero el cielo es el límite si permite niveles ultra-futuristas de modificación genética.

La madera es tan fuerte en relación con su peso porque es esencialmente un metamaterial de crecimiento natural. Las células de la planta tienen paredes compuestas de fibras de celulosa y polímeros de lignina enlazados (que tienen alta resistencia a la tracción y a la compresión, respectivamente) y forman una matriz de cajas repetidas que permite una gran cantidad de rigidez incluso después de mucho el peso del agua interior de las células se ha secado. La bioingeniería del organismo para que sea más fuerte solo requeriría diseñar mejores reemplazos orgánicos para la celulosa y la lignina (y / o versiones optimizadas). Los nanotubos de carbono o las láminas de grafeno no están completamente fuera de lo posible aquí. Además, diseñar estructuras de metamateriales más eficientes es otra forma de mejorar las propiedades del material a granel de la madera. La celulosa y la lignina de la madera forman una matriz de bloques de construcción en su mayoría rectangulares, que es esencialmente una red cristalina cúbica simple formada por paredes celulares extracelulares. La ingeniería de plantas para tener una estructura de soporte intracelular más compleja podría permitir que estas estructuras se parezcan más a las estructuras de celosía cúbica de diamante y aumenten la resistencia bastante.

Comentarios

• Por supuesto, una vez que ‘ esté cultivando árboles de grafeno / carbono, ¿seguirá contando como » madera «?
• Si tienes nanobots que construyen un marco de nanoestructuras de carbono, entonces tienes más una nanofábrica que un » árbol » por lo que ‘ no tendría mucho sentido llamar al material » madera «. Sin embargo, si todavía tiene un árbol que crece apilando celda tras celda y simplemente usa nanotubos como celulosa de ingeniería óptima en sus paredes celulares, ¿por qué no llamarlo madera?
• Otro buen ejemplo para agregar porque el cableado sería de aluminio, que en realidad es más liviano y más barato que el cobre para el cableado y se usa para cables aéreos largos por esas razones, pero tiene una serie de desventajas que compensan eso para muchas otras aplicaciones como cableado doméstico y electrónica. Y la otra cara de esa moneda es que el aluminio es una buena opción para largos recorridos aéreos de alto voltaje a pesar de su menor conductividad, etc. El aluminio frente al cobre es un buen ejemplo de diferentes pros / contras en diferentes escenarios.
• @JasonC La última oración del párrafo de cableado ya menciona que Al es incluso más barato que Cu y se usa en algunas aplicaciones. Sin embargo, no ‘ entro en más detalles, ya que ‘ me preocupa que demasiados detalles puedan hacer que esta pregunta sobre la madera un poco demasiado lejos de los rieles.
• La manipulación genética ultra-futurista también podría conducir a una alternativa muy interesante de hacer que las estructuras hechas de la madera mantengan vivo al organismo. Dado que la madera sería tan dura, sería difícil cosechar y procesar para su uso, por lo que, en cambio, los árboles genéticamente mejorados se plantan en el lugar y se cultivan en la forma deseada, quizás a través de un proceso que involucra herramientas externas como iluminación y celosías.

No para dejar de lado la pregunta de la «madera más dura», sino en cuanto a la aplicación … Las maderas duras se utilizan generalmente en lugares donde se desea fuerza, pero no peso. Cosas como mangos de herramientas, equipo deportivo (bates de béisbol y palos de hockey, por ejemplo), muebles, etc.

Un pie cúbico de acero es increíblemente fuerte, pero también es increíblemente pesado a 490 lbs (7900 kg / m ³ ). Un pie cúbico de madera dura generalmente está más cerca de 50 lbs (800 kg / m ³ ).

En cuanto al «mejor material para el trabajo», siempre he tenido preferencia por los palos de hockey de madera, pero envueltos en madera en Kevlar ayuda con el desgaste de … Bueno … Hockey. Son livianos, ligeramente flexibles, pero aún increíblemente fuertes. Mi primer palo tiene más de 20 años y todavía se puede usar a pesar de algunos golpes de jugadas más duras.

En cuanto a la construcción …Por supuesto, el acero y el hormigón son más resistentes y, en muchos casos, más duraderos, pero «son mucho más pesados y también mucho más caros».

Además … La madera más dura posible realmente depende de la aplicación y de si se trata de una losa simple o de una capa compuesta.

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• Además: la madera se considera más respetuosa con el medio ambiente que el hormigón / acero, puede resistir mejor al frío extremo, …

¿Estás pidiendo la madera más dura o la más fuerte? Son dos cosas diferentes.

Bubinga es la madera más resistente que conozco, con un módulo de ruptura (flexión) de 24,410 lb $ _ \ text {f} $ / in $ ^ 2 $ (168,3 MPa) pero la resistencia al aplastamiento (compresión) es solo 10,990 lb $ _ \ text {f} $ / in $ ^ 2 $ (75,8 MPa), menos de la mitad de la resistencia a la flexión.

Tenga en cuenta que la resistencia al aplastamiento depende en gran medida de la orientación de la grano a la tensión, la resistencia puede ser hasta diez veces menor cuando la tensión es perpendicular a la fibra.

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• Me gustaría agregar dos cosas aquí: 1) Puede ser posible usar algo como una prensa hidráulica para comprimir el cuerpo de antemano, haciéndolo más fuerte. 2) Puede ser posible fortalecer la madera monitoreando / influyendo en su ‘ s crecimiento. P.ej. crecería más lentamente en climas fríos, por lo tanto, anillos de año más estrechos y madera más compacta. También cosas como quitar ramitas y ramas pueden afectarlo; esto se hizo anteriormente, por ejemplo, en árboles destinados a ser utilizados para marcos de ventanas.
• Existe Ipe (» Nuez brasileña » aunque no es una verdadera nuez) con módulo de Ruputre 177 MPa y resistencia al aplastamiento 93,8 MPa.

Lignum vitae se ha utilizado en ingeniería durante siglos. Además de ser denso y resistente, también tiene la propiedad inusual de ser autolubricante.

Muchas turbinas hidroeléctricas todavía fabricado con lignum vitae para rodamientos, y muchos de los esquemas hidráulicos más antiguos todavía están en servicio con rodamientos de lignum vitae después de décadas.

También se usó ampliamente para -Cojinetes de temperatura en turismos y otros vehículos. Los extremos de las barras de dirección / tirantes, en particular, siempre estaban hechos de lignum vitae en los autos de antes de la guerra, y esto persistió hasta bien entrada la década de 1960 para algunas marcas.

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• De paso: Hace un par de décadas hice un recorrido por la presa de Point du Bois en el río Winnipeg. La presa había sido construida en 1911. Las turbinas eran de eje horizontal con los cojinetes de los extremos aguas arriba hechos de Lignum vitae y lubricados con un goteo de agua. En 1983 todavía estaban usando los rodamientos originales.
• @SherwoodBotsford Interesante – ¡gracias!

Si solo busca la madera más dura, es posible que desee mirar madera petrificada .

Se parecería a la madera en apariencia, pero ofrecería una solidez de piedra. Piense en usarlo para hacer pilares en un edificio, tendría un pilar que parece un árbol, pero se comporta como una piedra.

Por supuesto, difícilmente podría usarlo como una viga debido a su poca resistencia. a la tracción.

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• ¿Por qué? ¿Qué ofrece la madera petrificada al OP? Tal como está, esto es poco más que una respuesta de solo enlace, ya que simplemente reitera una parte del título de la pregunta y luego proporciona un enlace a un artículo de Wikipedia.
• @MichaelKj ö rling, gracias por tu comentario. Amplié la respuesta
• Pero la madera petrificada ya no es ‘ t madera, es ‘ s roca. Según ese criterio, las baldosas de cerámica con grano de madera (que solían venderse bajo la marca ‘ Strata ‘) serían aún más difíciles.
• La madera petrificada no ‘ tiene que verse como madera o ser marrón. Tengo algunos ejemplos que son del color de los paneles de yeso.
• ¿Cuánto tiempo se tarda en petrificar la madera? ¿Podrías tallar una estructura de madera (vigas, juntas, etc.) y luego petrificar todo y luego volver a ensamblar las piezas de piedra? ¿Ofrecería eso alguna ventaja sobre la talla de piedra en primer lugar?

En la ciencia de los materiales existe esto imagen de la misma fuerza aplicada a diferentes materiales de las mismas dimensiones.
La primera respuesta a «cómo hacer que no se rompa tan fácilmente es» duplicar la cantidad de material o poner un soporte donde se aplique la fuerza «.

Entonces, la verdadera respuesta a su pregunta no es dónde, sino por qué y cómo. Por ejemplo, el cambio de los barcos de madera al acero fue dictado por las dimensiones que podrían tener los barcos de acero. Por otro lado, los barcos pequeños eran más baratos y livianos cuando hecho de fibra de vidrio.
Lo mismo con las casas, si desea construir una construcción rápida y no sofisticada, use prefabricados. Pero la madera es más plástica y está disponible gratuitamente. Para que pueda arrancar su parcela y tener material ya en el sitio.

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• Escribiste » Pero la madera es más plástica «. Editaría para agregar la palabra que falta después de ‘ más ‘, pero yo ‘ m no estoy seguro de lo que ibas a decir allí.
• @ Anon234_4521 él ‘ s tratando de decir que la madera es más plástica: plástico ˈplastɪk / 2. (de sustancias o materiales) fácilmente moldeados o moldeados. (editado de en.oxforddictionaries.com/definition/plastic

Tus preguntas son muy amplias y no tienen una respuesta definitiva. Como se mencionó en otras respuestas, «dureza» no tiene un solo significado.

El artículo de Wikipedia sobre dureza menciona 3 «tipos» principales de dureza, pero incluso utilizando un estilo de máquina de medición, se observarán clasificaciones bastante diferentes (y conflictivas). Un material duro, por ejemplo, es prácticamente inútil si se ablanda con la lluvia o al exponerse a la luz solar o simplemente a medida que envejece. Por supuesto, puede proteger una superficie del sol y la lluvia (hasta cierto punto), pero hay una gran cantidad de propiedades que una sustancia debe tener para ser «útil».

Además, y la divulgación completa aquí, no soy un botánico y no tengo conocimiento del Buloke, pero Wikipedia dice que es una especie de Ironwood. La misma tabla que lo enumera en> 5000 enumera Ironwood en ~ 3000. tienes que ser muy crítico ing estos números al pie de la letra. Ironwoods, sé un (muy) poco sobre. Una de sus propiedades es su alto contenido en aceite. Esto es bueno para repeler el agua (y los insectos), pero no es bueno para pintar o para el contacto con otras superficies si son propensas a mancharse ya que (no si) el aceite se desangra.

Como dice la respuesta anterior , no confunda dureza con fuerza. Mi suposición para la madera «más dura» que podríamos criar / diseñar sería que es tan dura como el biomaterial más duro conocido. Creo (pero no estoy seguro) que esto es calcita, aragonita o la sustancia de la que está hecho el esmalte de nuestros dientes, hidroxiapatita. Sería interesante determinar si los biomateriales basados en sílice fueran más duros, no me sorprendería. (Las diatomeas y los radiolarios hacen paredes de sílice). Dado que los biomateriales son nanocompuestos y pueden ser 10 veces más «duros» que el mineral inorgánico que derivan de, no es realmente posible (en mi humilde opinión) decir cuál es el límite superior de dureza. (La tierra de diatomeas se utiliza como abrasivo, por lo que probablemente sea bastante duro).

Para que un material Ser útil no solo necesita una gran cantidad de propiedades para satisfacer una necesidad particular, sino que la economía debe ser favorable (es decir, la oferta del bien material y la demanda también es fuerte).

La prueba que mencionaste fue ( probablemente) diseñado (al menos fue seleccionado) para ser útil con madera en las aplicaciones en las que se usa la madera. Lo que significa que probablemente se requerirían otras medidas antes de que una madera en particular se considere lo suficientemente dura para funcionar en algunos casos inusuales. , de forma atípica.

Usted hace dos preguntas. La respuesta a la primera es A. Por lo que ahora sabemos n, los editores de Wikipedia saben más que yo, B. En la medida de lo posible, bueno, eso es bastante abierto. Ciertamente, es posible hacer que una planta desarrolle una piel similar a los materiales duros que se encuentran en los reinos animal (y microbiota). Encuentre el biomaterial más duro conocido por el hombre y puede empezar por ahí. Si quiere especular, aumente su dureza en 10X.

Para responder al segundo. No nos dio todas sus propiedades. Como dije, darnos una sola propiedad y preguntar dónde «podría» ser útil no es probable que obtenga muchas respuestas incisivas, es una pregunta demasiado amplia y vaga. Como dicen, el diablo está en los detalles. Los materiales duros, generalmente se usan para proteger otros materiales de daños, o al contrario, se usan para dañar otros materiales. Entonces, usarlos como capas superficiales o en abrasivos sería mi primera inclinación.

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• Creo que esta respuesta mejoraría significativamente si la divides en párrafos, usas un formato relevante y una edición similar . Compare writers.stackexchange.com/q/26899/2533 .
• Creo que entendí el espacio entre párrafos correcto, pero no dude en retroceder editar si no está de acuerdo.

Creo que voy a cambiar «Difícil» a » Resistente y versátil «porque todavía no tenemos un caso de uso para delimitar las cosas. Sin embargo, una madera extremadamente resistente y versátil en América del Norte es el Osage Orange Maclura pomifera . También se lo conoce como Hedge Tree. También es la plaga de cualquiera que tenga la necesidad de cortar uno en su propio jardín.

1. The Hedge Tree es bastante resistente , el más duro de Norteamérica con una Dureza Janka de 2040 cuando está verde y se vuelve más difícil a medida que se seca, según se informa hasta 2700. Esto es aproximadamente 2 veces más que el más duro de los robles. Lo he visto recomendado que hagas cualquier tallado cuando la madera todavía está verde porque no podrás hacerlo cuando se seque.

2. Es algo flexible . Cuando se combina con la dureza, se convierte en una preciada madera para arcos. Los nativos americanos viajarían un largo camino para cosechar ramas de una naranja Osage para arcos.

3. Es muy resistente a la putrefacción . Es Se utiliza con frecuencia para postes de cercas porque durará mucho, mucho tiempo bajo el nivel del suelo (en el suelo). No obtiene moho o moho que penetra profundamente en la madera. Los insectos también parecen evitar la madera. La fruta se usa a menudo como repelente de insectos natural.

4. Es denso . Esta madera come motosierras. Yo sé esto por tener que cortar uno en mi jardín. Tenía unos 12 años y se necesitaron 3 cadenas de motosierra para pasar. Por supuesto, tengo una motosierra barata, pero aún así. Por cierto, todavía tengo una gran parte del maletero que Pesa muchísimo y quiero hacer algo con él, pero todavía no sé qué.

5. Se quema caliente ! Cuando se usa como leña, apagará aproximadamente el doble en BTU que la mayoría de las variedades de roble. Estalla mucho, por lo que no es bueno en una chimenea abierta, pero en una estufa de leña sellada pude mantener mi casa en aproximadamente 80 grados F durante una tormenta de nieve donde afuera hacía 12 F.

6. Crece en una variedad de climas y suelos . Se usó en el Medio Oeste para crear barreras contra el viento y ayudar con la erosión del suelo durante el Dust Bowl.

Entonces, para lo que posiblemente sea la madera natural más resistente y versátil que existe, Osage Orange Maclura pomifera es tu amigo. También sería una buena base para cualquier tipo de monos a tu alrededor puede querer hacer con sus genes.

Mientras «reconstruimos el mundo, Suponemos cierto desarrollo en la ingeniería genética y el desarrollo de proteínas para catalizar el ensamblaje de átomos de carbono en estructuras regulares.

Entonces es concebible que nuestro árbol modificado pueda construir una forma cristalina tetraédrica estable de carbono, al menos a escala celular, tal vez como paredes celulares o una columna interna. Como todavía es un árbol, estas pequeñas estructuras probablemente estarían incrustadas en una matriz de celulosa, que puede tener sus propias debilidades.

Sin embargo, su dureza final sería la de su forma cristalina – diamante.

El roble vivo del sur Quercus virginiana tiene una dureza Janka de 2680 lbf (12,920 N) ver http://www.wood-database.com/live-oak/ No tan «fuerte» como otras especies, pero históricamente fue un componente muy importante de la construcción de barcos en Estados Unidos porque las ramas largas y curvas de las vigas podían convertirse en nervaduras y otras maderas estructurales sin necesidad de tallarlas. Esto le dio una gran fuerza al casco. Old Ironsides fue un ejemplo de este tipo de construcción. El roble vivo fue el arma secreta de la construcción naval estadounidense. Entonces, parte de la cuestión de la dureza de la fuerza tiene que ver con la forma anticipada.

El abeto para aviones tiene una de las proporciones de resistencia: peso más altas de cualquier material natural; un ejemplo algo diferente, pero también digno de mención.

Respuesta complementaria. La madera está hecha de fibras de celulosa. ¿Qué tan fuerte es la celulosa?

Muy fuerte. Aquí hay muchos detalles: https://www.extremetech.com/extreme/134910-nanocellulose-a-cheap-conductive-stronger-than-kevlar-wonder-material-made-from-wood-pulp . Cita: «ligero, flexible, más fuerte que el acero, más rígido que Kevlar «… Es, por supuesto, producido por un árbol en una estructura perfeccionada por la evolución (a largo plazo) y el medio ambiente (durante la vida del árbol) para ser de mejor uso para el árbol. Tenemos que trabajar un poco para transformarlo en nanocelulosa, en lugar de simplemente cortarlo en vigas.

La madera también contiene un pegamento natural llamado lignina que une las fibras de celulosa. Así como la celulosa es al menos tan fuerte como nuestros mejores plásticos, la lignina es al menos tan buena como nuestras mejores colas y resinas. Hasta hace poco, era un orden de magnitud mejor, pero nuestros químicos se han puesto al día, y ahora podemos pegar madera a madera con tanta fuerza como si el árbol hubiera hecho crecer la madera en la forma que queríamos (*). Entra Glulam. (Nombre horrible: una contracción de laminado encolado, creo). De todos modos, busque en Google «glulam» y encontrará que la gente ahora está construyendo pequeños rascacielos de madera y planeando otros más grandes.Después de todo, es peso por peso tan fuerte como el acero (y, en contra de la intuición, ¡ más resistente al fuego!) La madera laminada laminada no es lo mismo que la simple madera aserrada, por lo que los arquitectos todavía están buscando el camino y construyendo experiencia y confianza con estructuras más pequeñas primero.

Esto es una construcción mundial, por lo que estas referencias le dicen lo que es posible (usando celulosa). Es posible que podamos reprogramar árboles para cultivar madera más adecuada a nuestras propias necesidades, utilizando ingeniería genética. O en un planeta con mayor gravedad, la evolución puede haber hecho lo mismo (de lo contrario, no hay árboles en ese planeta). E incluso es posible que haya un biopolímero mejor que la celulosa.

(*) Por cierto, los constructores medievales usaron las formas que crecía el árbol. No cortaron la madera en vigas arbitrariamente rectas pero más débiles. Construyeron techos en forma de arco y barcos que contenían madera curvada naturalmente. De vez en cuando, incluso jugaban un poco con la forma en la que estaba creciendo el árbol cuando era pequeño y flexible, luego espere un siglo para cosechar madera con las curvas que necesitaban. Es posible que ahora (o pronto) tengamos la biotecnología para dirigir el crecimiento de un árbol por medios más sutiles que atar un árbol joven a un marco. Sin embargo, ¿tenemos paciencia?

Entonces, no estoy seguro de qué madera es más dura, pero aquí en Australia la especie de palo fierro históricamente se han utilizado para postes de energía. Su densidad y fuerza significa que son altamente resistentes a la putrefacción (un problema menor en el interior) y al ataque de termitas (lo que es más importante). Usar acero no es una buena opción ya que conduce la electricidad. Hace décadas, los árboles de hierro eran más accesibles ya que se podían cortar del entorno circundante. Por supuesto, se han cosechado en exceso y, al ser un árbol de crecimiento muy lento, ya no son un producto de madera sostenible. También somos mejores aislando postes de acero y moldeándolos con hormigón fundido.