Hvad er det hårdeste træ, der er muligt, og hvor ville dette være et praktisk materiale?

Hvorfor ville nogen nogensinde bruge et “værre” materiale til at udføre et specifikt job?

Alle ingeniørprojekter søger at minimere brug af forskellige ressourcer for at opnå de ønskede resultater; “dårligere” materialer bruges ofte, fordi omkostninger og tilgængelighed langt opvejer effektiviteten af ren materialeffektivitet.

For eksempel anvendes kobberledninger i næsten alle elektriske applikationer. Hvorfor? Fordi det er en god billig leder. Er det den bedste dirigent? Ingen; kobbers elektriske ledningsevne på $ 0,596 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ er kun omkring 95% af sølv s $ 0,63 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $. Hvad der gør kobber mere ønskeligt til flere applikationer, dets besparende nåde, er det faktum, at det koster omkring $ \ $ 2,7 / \ text {lb} $ (fra 2-4 \ $ / lb i løbet af de sidste 5 år) sammenlignet med sølv “s $ \ $ 267.8 / \ text {lb} $ (fra 200 til 500 \ $ / lb i løbet af de sidste 5 år) prissætning. Faktisk forsøger et antal applikationer at konvertere til aluminiumsledninger, fordi aluminium er $ 0,377 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ er stadig ret rimelig for den lavere pris på $ \ $ 0,85 / \ text {lb} $ (fra 0,65-1,20 \ $ / lb de sidste 5 år).

Beton og stål er dybest set henholdsvis trykstyrke og trækstyrke. De bruges i de fleste skyskrabere og andre store byggeprojekter, fordi de er meget gode til at udføre deres arbejde effektivt til en rimelig pris. Træ er typisk bruges til mindre opgaver, hvor ren materialeffektivitet er mindre vigtig end omkostninger forbundet med større tilgængelighed og lettere konstruktion.

Hvor omkostningerne ikke er den begrænsende faktor, kan der være andre mere specifikke designkriterier. Træ er et dielektrikum (dvs. ikke-metal), og det kan derfor være mere ønskeligt i applikationer, hvor radiofrekvensrefleksioner ville være uønskede. Tilsvarende er det ikke-magnetisk og bliver ikke magnetiseret som et jernholdigt metal som stål gør. Træ er også relativt let i forhold til beton og stål, det kan være praktisk, når de fysiske dimensioner er mindre bekymrede end materialetætheden.

Hvad er den sværeste træsort der kan eksistere?

Dette spørgsmål er lidt sværere at svare direkte med tal, men himlen er grænsen, hvis du tillader ultra-futuristiske niveauer af genetisk modifikation.

Træ er så stærkt i forhold til dets vægt, fordi det i det væsentlige er et naturligt voksende metamateriale. Plantens celler har vægge, der er sammensat af cellulosefibre og sammenkædede ligninpolymerer (som har henholdsvis høj træk- og trykstyrke) og danner en matrix af gentagne kasser, som muliggør en stor mængde stivhed, selv efter meget cellernes indre vandvægt er tørret ud. Bioteknologi for organismen for at være stærkere kræver kun design af bedre organiske erstatninger for cellulose og lignin (og / eller optimerede versioner). Carbon nanorør eller grafenplader er ikke helt uden for muligheden her. Desuden er design af mere effektive metamateriale strukturer en anden måde at forbedre træets bulk-materialegenskaber på. Cellulose og lignin af træ danner en matrix af hovedsagelig rektangluære byggesten, som i det væsentlige er et simpelt kubisk krystalgitter dannet af ekstracellulære cellevægge. Ingeniøranlæg, der har en mere kompleks understøttende struktur inden for celle, kan muliggøre, at disse strukturer mere ligner diamantkubiske gitterstrukturer og øger styrken med en hel del.

Kommentarer

• Selvfølgelig, når du ‘ igen vokser grafen / carbon træer, tæller det stadig som ” træ “?
• Hvis du har nanobotter, der bygger en ramme af kulstof-nanostrukturer, har du mere en nanofabrik end et ” træ ” så der ‘ ville være lidt fornuftigt at kalde materialet ” træ “. Men hvis du stadig har et træ, der vokser ved at stable celle efter celle og simpelthen bruger nanorør som en optimalt dengineret cellulose i dens cellevægge, hvorfor så ikke kalde det træ?
• Et andet godt eksempel at tilføje for ledningerne ville være aluminium, som faktisk er lettere og billigere end kobber til ledninger og bruges af lang ledningsføring af disse grunde, men har en række ulemper der kompenserer for mange andre applikationer som husledninger og elektronik. Og den anden side af denne mønt er, at aluminium er et godt valg til lange kørsler med høj spænding på trods af dets lavere ledningsevne osv. Aluminium versus kobber er et godt eksempel på forskellige fordele / ulemper i forskellige scenarier.
• @JasonC Den sidste sætning i ledningsføringsafsnittet nævner allerede, at Al er endnu billigere end Cu og bruges i nogle applikationer. Jeg går dog ikke ‘ til, da jeg ‘ er bekymret for, at for mange detaljer kan tage dette spørgsmål om træ a lidt for langt væk fra skinnerne.
• Den ultrafuturistiske genetiske manipulation kunne også føre til et meget interessant alternativ til at gøre det, så strukturer lavet af skoven ville holde organismen i live! Da træet ville være så hårdt, ville det være svært at høste og behandle til brug, så i stedet plantes de genetisk forbedrede træer på stedet og dyrkes i den ønskede form, måske gennem en proces, der involverer eksterne værktøjer såsom belysning og gitter.

Ikke til sidesteg det “hårdeste træ” -spørgsmål, men for så vidt angår anvendelse … hårdttræ bruges normalt steder, hvor du vil have styrke, men ikke vægt. Ting som værktøjshåndtag, sportsudstyr (baseballbat og hockeystokke for eksempel), møbler og så videre.

En kubikfod af stål er utrolig stærk, men den er også utrolig tung ved 7900 kg / m ³ ). En kubikfod hårdttræ er normalt tættere på 800 kg / m ³ ).

For så vidt som “det bedste materiale til opgaven” har jeg altid haft en præference for træhockeysticks, men træindpakket i Kevlar hjælper med slid fra … Nå … Hockey. De er lette, let fleksible, men stadig utroligt stærke. Min første pind er mere end 20 år gammel, og den kan stadig bruges på trods af nogle ting fra hårdere stykker.

Hvad byggeriet angår …Naturligvis er stål og beton stærkere og i mange tilfælde mere holdbare, men de er “meget tungere og de” er også meget dyrere.

Også … Det hårdeste træ, der er muligt, afhænger virkelig af applikationen, og om du taler om en simpel plade eller et sammensat lag.

Kommentarer

• Også: træ ses som mere miljøvenligt end beton / stål, kan modstå bedre mod ekstrem kulde, …

Beder du om det hårdeste træ eller det stærkeste? De er to forskellige ting.

Bubinga er det stærkeste træ, jeg kender til, med en brudmodul (bøjning) på 24.410 lb $ _ \ text {f} $ / i $ ^ 2 $ (168,3 MPa), men knusestyrken (kompression) er kun 10.990 lb $ _ \ text {f} $ / i $ ^ 2 $ (75,8 MPa), mindre end halvdelen af bøjningsstyrken.

Husk, at knusestyrken er meget afhængig af orienteringen af korn til stress, styrken kan være så meget som ti gange mindre, når stress er vinkelret på kornet.

Kommentarer

• Vil gerne tilføj to ting her: 1) Det kan være muligt at bruge noget som en hydraulisk presse til at komprimere ville før hånd, hvilket gør det stærkere. 2) Det kan være muligt at gøre træet stærkere ved at overvåge / påvirke det ‘ s vækst. For eksempel. det ville vokse langsommere i koldt vejr – dermed strammere årsringe og mere kompakt træ. Også ting som at fjerne kviste og grene kan påvirke det – dette blev tidligere gjort for eksempel på træer beregnet til at blive brugt til vinduesrammer.
• Der er Ipe (” Brasiliansk valnød ” skønt det ikke er en rigtig valnød) med Modulus af Ruputre 177 MPa og knusestyrke 93,8 MPa.

Lignum vitae er blevet brugt inden for ingeniørfag i århundreder. Ud over at være tæt og sej har den også den usædvanlige egenskab at være selvsmørende.

Mange vandkraftværker er stadig lavet ved hjælp af lignum vitae til lejer, og masser af ældre hydroplaner er stadig i brug med lignum vitae-lejer efter årtier.

Det blev også meget brugt til lavere stress / lavere -temperaturlejer i biler og andre køretøjer. Specielt enderne med styrestang / forbindelsesstang var altid lavet af lignum vitae i førkrigsbiler, og dette varede langt ud i 1960erne for nogle mærker. kommentarer “>

Hvis du bare leder efter det hårdeste træ, kan du se på forstenet træ .

Det ligner træ det i udseende, men det ville tilbyde stenlignende soliditet. Tænk på at bruge den til at lave søjler i en bygning, du ville have en søjle, der ligner et træ, men opfører sig som en sten. til trækkraft.

Kommentarer

• Hvorfor? Hvad tilbyder forstenet træ OP? Som det står, er dette meget lidt mere end et link-kun-svar, da det blot gentager en del af spørgsmålets titel og derefter giver et link til en Wikipedia-artikel.
• @MichaelKj ö rling, tak for din kommentar. Jeg udvidede svaret
• Men forstenet træ er ikke ‘ t træ mere, det er ‘ s sten. Efter disse kriterier ville trækornede keramiske fliser (plejede at blive solgt under varemærket ‘ Strata ‘) være endnu hårdere.
• Forstenet træ behøver ‘ ikke til at ligne træ eller være brunt. Jeg ejer nogle eksempler, der er farven på gipsvæg.
• Hvor lang tid tager det at forstenet træ? Kunne du hugge en træstruktur (bjælker, samlinger osv.) Og derefter forstenede det hele og derefter samle stenstykkerne igen? Ville det i første omgang give nogen fordel i forhold til udskæring af sten?

I materialevidenskab er der dette billede af samme kraft, der påføres forskellige materialer med de samme dimensioner.
Det første svar på “hvordan man får det til ikke at bryde så let, er” dobbelt så meget materiale eller læg en støtte, hvor kraften påføres “.

Så det virkelige svar på dit spørgsmål er ikke hvor, men hvorfor og hvordan. F.eks. blev skiftet fra træskibe til stål dikteret af de dimensioner, stålskib kunne have. På den anden side var små skibe billigere og lettere, når lavet af glasfiber.
Samme med huse, hvis du vil bygge hurtig, ikke sofistikeret bygning, bruger du præfabrikater. Men træ er mere plastisk og frit tilgængeligt. Så du kan rive dit plot og have materiale på stedet allerede.

Kommentarer

• Du skrev ” Men træ er mere plast “. Jeg ville redigere for at tilføje det manglende ord efter ‘ mere ‘, men jeg ‘ m ikke sikker på, hvad du ville sige der.
• @ Anon234_4521 han ‘ forsøger at sige, at træet er mere plastisk: plast ˈplastɪk / 2. (af stoffer eller materialer) let formet eller støbt. (redigeret fra da.oxforddictionaries.com/definition/plastic

Dine spørgsmål er meget brede og har intet bestemt svar. Som nævnt i andre svar har “hårdhed” ikke en enkelt betydning.

Wikipedia Hardness-artiklen nævner Tre hovedtyper af “hårdhed”, men selv ved brug af en målemaskine-stil, vil der blive observeret helt forskellige (og modstridende) placeringer. Et hårdt materiale er for eksempel stort set ubrugeligt, hvis det blødgør i regn eller ved udsættelse for sollys eller lige som det bliver ældre. Selvfølgelig kan du beskytte en overflade mod sol og regn (til en vis grad), men der er et ret stort antal egenskaber, som et stof skal have for at være “nyttigt”.

Også, og fuldstændig afsløring her, er jeg ikke en botaniker og har intet kendskab til Buloke, men Wikipedia siger, at det er en Ironwood-art. Den samme tabel, der viser den ved> 5000, viser Ironwood ved ~ 3000. Du skal være meget kritisk tak disse tal til pålydende værdi. Ironwoods, jeg ved (meget) lidt om. En af deres egenskaber er deres høje olieindhold. Dette er godt for vandafvisende (og bug) afstødning, men slet ikke godt for maling eller kontakt med andre overflader, hvis de “er tilbøjelige til at plette, da (ikke hvis) olien bløder ud.

Som det foregående svar siger , forveksl ikke hårdhed med styrke. Mit gæt for det “hårdeste” træ, vi kunne opdrætte / konstruere, ville være, at det er lige så hårdt som det hårdeste kendte biomateriale. Jeg tænker (men er ikke sikker) dette er enten calcit, aragonit eller de ting vores tænderemalje er lavet af, hydroxylapatit. Det ville være interessant at afgøre, om silica-baserede biomaterialer var hårdere, ville jeg ikke blive overrasket. (Diatomer og Radiolaria fremstiller silica-vægge). Da biomaterialer er nanokompositter og kan være 10 gange “hårdere” end det uorganiske mineral, de udleder fra, er det ikke rigtig muligt (imho) at sige, hvad den øvre grænse er for hårdhed. (Diatoméjord bruges som slibemiddel, så det er sandsynligvis ret hårdt.)

For et materiale skal være nyttigt, det har ikke kun brug for en række egenskaber for at matche et bestemt behov, men økonomien skal være gunstig (hvilket betyder udbuddet af materialet og efterspørgslen også stærk).

Den test, du nævnte, var ( sandsynligvis) designet (i det mindste blev det valgt valgt) til at være nyttigt med træ i de applikationer træ bruges i. Det betyder, at andre foranstaltninger sandsynligvis ville være nødvendige, før et bestemt træ anses for hårdt nok til at fungere i noget usædvanligt , atypisk måde.

Du stiller to spørgsmål. Svaret på det første er A. For så vidt det, der nu er kendt n, Wikipedia-redaktører ved mere end jeg, B. Hvad det er muligt, så er det stort set åbent. Det er bestemt muligt at få en plante til at udvikle en hud, der ligner de hårde materialer, der findes i dyrerigerne (og mikrobiota). Find det sværeste biomateriale, man kender, og du kan starte der. Hvis du vil spekulere, skal du øge hårdheden med 10X.

For at besvare det andet. Du gav os ikke alle dens egenskaber. Som jeg sagde, at give os en enkelt ejendom og spørge, hvor det “kunne” være nyttigt, vil det sandsynligvis ikke skaffe mange skarpe svar, det er bare alt for bredt og vagt et spørgsmål. Som de siger, djævlen er i detaljerne. Hårde materialer bruges generelt til at beskytte andre materialer mod skader, eller bare det modsatte, de bruges til at beskadige andre materialer. Så, brug som overfladelag eller i slibemiddel ville være min første tilbøjelighed.

Kommentarer

• Jeg tror, at dette svar ville blive markant forbedret, hvis du deler det i afsnit, bruger relevant formatering og lignende kopieringsredigering Sammenlign writers.stackexchange.com/q/26899/2533 .
• Jeg tror, jeg har afsnittet mellemrum korrekt, men er velkommen til at tilbageføre redigeringen, hvis du er uenig.

Jeg tror, jeg vil ændre “Hardest” til ” Hård og alsidig “fordi vi endnu ikke har en brugssag til at indsnævre tingene. Imidlertid er et ekstremt hårdt og alsidigt træ i Nordamerika Osage Orange Maclura pomifera . Det er også kendt som Hedge Tree. Det er også pesten for enhver, der har behov for at skære en ned i deres egen have.

1. Hækketræet er smukt hårdt , den hårdeste i Nordamerika med en Janka-hårdhed fra 2040, når den er grøn, og den bliver sværere, når den tørrer ud, angiveligt op til 2700. Dette er cirka 2 gange så meget som den hårdeste af egetræer. Jeg har set det anbefalet, at du udskærer, når træet stadig er grønt, fordi du ikke kan, når det tørrer.

2. Det er noget fleksibel . Når det kombineres med hårdheden, bliver det en værdsat bue beslutningstagere træ. Indfødte amerikanere ville rejse ganske langt for at høste lemmer fra en Osage Orange til buer.

3. Det er meget modstandsdygtigt over for rådne . ofte brugt til hegnspæle, fordi den holder under lønklasse (i jorden) i lang, lang tid. Den får ikke meldug eller forme kommer dybt ind i træet. Bugs synes også at undgå træet. Frugten bruges ofte som et naturligt insektmiddel.

4. Det “s tæt . Dette træ spiser motorsave. Jeg ved dette fra at skulle skære en ned i min have. Den var omkring 12 år gammel og det tog 3 motorsavkæder at komme igennem. Indrømmet, jeg har en billig motorsav, men stadig. I øvrigt har jeg stadig en stor del af bagagerummet er tungt, og jeg vil gerne gøre noget med det, men jeg ved ikke hvad endnu.

5. det brænder hot ! Når det bruges som brænde, vil det udelukke ca. dobbelt så meget i BTU som de fleste sorter af egetræ. Det popper meget, så det er ikke godt i en åben pejs, men i en forseglet brændeovn var jeg i stand til at holde mit hus ca. 80 grader f under en snestorm, hvor udenfor var 12 f.

6. Den vokser i forskellige klimaer og jord . Det blev brugt i Midtvesten til at skabe vindstød og til at hjælpe med jorderosion under støvskålen.

Så hvad er der muligvis det hårdeste og mest alsidige naturlige træ, der faktisk findes, Osage Orange Maclura pomifera er din ven. Det ville også give et godt grundlag for enhver form for abe omkring dig vil måske have at gøre med dens gener.

Når vi er Worldbuilding, lad “antager en vis udvikling inden for genteknologi og udvikling af proteiner til at katalysere samlingen af kulstofatomer i regelmæssige strukturer.

Så kan det tænkes, at vores modificerede træ kunne bygge en stabil tetraedrisk krystallinsk form af kulstof, i det mindste i cellulær skala – måske som cellevægge eller en indre rygsøjle. Da det stadig er et træ, disse små strukturer ville sandsynligvis være indlejret i en cellulosematrix, som kan have sine egne svagheder.

Ikke desto mindre ville deres ultimative hårdhed være den af deres krystallinske form – diamant.

Sydlig levende eg Quercus virginiana har en Janka-hårdhed på 2.680 lbf (12.920 N) se http://www.wood-database.com/live-oak/ Ikke lige så “stærk” som nogle andre arter, men historisk set var det en meget vigtig komponent i amerikansk skibsbygning, fordi de lange, buede lemmer af tømmeret kunne gøres til ribben og andet strukturelt træ uden at skulle udskæres. Dette gav skroget stor styrke. Old Ironsides var et eksempel på denne form for konstruktion. Levende eg var det hemmelige våben i amerikansk skibsbygning. Så en del af spørgsmålet om styrkehårdhed har at gøre med forventet form.

Flygran har en af de højeste styrker: vægtforhold for ethvert naturmateriale – noget andet eksempel, men også bemærkelsesværdigt.

Supplerende svar. Træ er lavet af cellulosefibre. Hvor stærk er cellulose?

Meget stærk. Der er mange detaljer her: https://www.extremetech.com/extreme/134910-nanocellulose-a-cheap-conductive-stronger-than-kevlar-wonder-material-made-from-wood-pulp . Citat: “let, fleksibel, stærkere end stål, stivere end Kevlar “… Det produceres naturligvis af et træ i en struktur, der er finpudset af evolution (langsigtet) og miljø (i løbet af træets levetid) for at være bedst til brug for træet. Vi er nødt til at gøre lidt arbejde for at omforme det til nanocellulose snarere end bare at save det i bjælker.

Træ indeholder også en naturlig lim kaldet lignin, der binder cellulosefibre sammen. Ligesom cellulose er mindst lige så stærk som vores bedste plast, er lignin mindst lige så god som vores bedste lim og harpiks. Indtil for nylig var det en størrelsesorden bedre, men vores kemikere har fanget op, og nu kan vi lime træ på træ så stærkt som om træet havde dyrket træet i den form, vi ønskede (*). Indtast limtræ. (Horrid navn: en sammentrækning af limet laminat, tror jeg). Under alle omstændigheder, google “limtræ”, og du vil finde ud af, at folk nu bygger små skyskrabere af træ og planlægger større.Det er trods alt vægten for vægten så stærk som stål (og kontraintuitivt, mere brandsikker!) Limtræ er ikke det samme som simpelt savet træ, så arkitekter føler stadig deres vej , og opbygge erfaring og selvtillid med mindre strukturer først.

Dette er verdensopbygning, så disse referencer fortæller dig hvad der er muligt (ved hjælp af cellulose). Vi kan muligvis omprogramme træer til at dyrke træ, der er bedre tilpasset vores egne behov ved hjælp af genteknologi. Eller på en planet med højere tyngdekraft kan evolution have gjort det samme (ellers er der ingen træer på den planet). Og det er endda muligt, at der er en bedre biopolymer derude end cellulose.

(*) forresten brugte middelalderlige bygherrer de former, som træet voksede. De huggede ikke træet i vilkårligt lige, men svagere tømmer. De byggede buelignende tage og skibe indeholdende naturligt buet træ. Lejlighedsvis ville de endda tinker lidt med den form, træet voksede ind, mens det var lille og bøjeligt, vent derefter et århundrede på at høste tømmer med de kurver, de havde brug for. Vi kan nu (eller snart) have bioteknologien til at styre væksten af et træ på mere subtile måder end at binde et træ til en ramme. Har vi dog tålmodighed?

Så usikker på, hvilket træ der er hårdest, men her i Australien er jerntræsorten har historisk været brugt til kraftstænger. Deres tæthed og styrke betyder, at de er meget modstandsdygtige over for rådnende (mindre af et problem i outback) og termitangreb (vigtigere). Brug af stål er ikke så god en mulighed, da det leder elektricitet. For årtier siden var jerntræet mere tilgængeligt, da du kunne skære dem fra det omgivende miljø. Selvfølgelig er de blevet høstet for meget, og det at være et meget langsomt voksende træ er ikke længere et bæredygtigt træprodukt. Vi er også bedre til at isolere stålstænger og forme dem af støbt beton.