Qual è il legno più duro possibile e dove sarebbe un materiale pratico?

Perché qualcuno dovrebbe mai utilizzare un materiale “peggiore” per fare un lavoro specifico?

Tutti i progetti di ingegneria cercano di ridurre al minimo il utilizzo di varie risorse per ottenere i risultati desiderati; I materiali “peggiori” vengono spesso utilizzati perché il costo e la disponibilità superano di gran lunga lefficacia della pura efficienza dei materiali.

Ad esempio, il cablaggio in rame viene utilizzato in quasi tutte le applicazioni elettriche. Perché? Perché è un buon conduttore economico. È il miglior direttore? No; La conducibilità elettrica del rame di $ 0,596 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ è solo circa il 95% dellargento “s $ 0,63 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $. Ciò che rende il rame più desiderabile per più applicazioni, la sua grazia salvifica, è il fatto che costa circa $ \ $ 2,7 / \ text {lb} $ (che va da 2-4 \ $ / lb negli ultimi 5 anni) rispetto allargento “s $ \ $ 267,8 / \ text {lb} $ (da 200 a 500 \ $ / lb negli ultimi 5 anni) prezzo. In effetti, un certo numero di applicazioni sta tentando di convertirsi al cablaggio in alluminio perché lalluminio “s $ 0,377 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ è ancora abbastanza ragionevole per il suo costo inferiore di $ \ $ 0,85 / \ text {lb} $ (compreso tra 0,65-1,20 \ $ / lb negli ultimi 5 anni).

Il calcestruzzo e lacciaio sono fondamentalmente i rami della resistenza alla compressione e alla trazione, rispettivamente. Sono utilizzati nella maggior parte dei grattacieli e altri grandi progetti di costruzione perché sono molto bravi a svolgere il loro lavoro in modo efficiente a un prezzo ragionevole. Il legno è tipicamente utilizzato per lavori su scala ridotta in cui la pura efficienza dei materiali è meno importante dei costi associati a una maggiore disponibilità e facilità di costruzione.

Dove il costo non è il fattore limitante, possono esistere altri criteri di progettazione più specifici. Il legno è un dielettrico (cioè non metallico) e quindi può essere più desiderabile in applicazioni in cui le riflessioni a radiofrequenza sarebbero indesiderabili. Allo stesso modo è amagnetico e non si magnetizza come un metallo ferroso come lacciaio. Il legno è anche relativamente leggero rispetto al cemento e allacciaio, può essere utile quando le dimensioni fisiche massicce sono meno preoccupanti della densità del materiale.

Qual è la razza di legno più dura che possa esistere?

A questa domanda è un po più difficile rispondere apertamente con i numeri, ma il cielo è il limite se si consentono livelli ultra futuristici di modificazione genetica.

Il legno è così forte rispetto al suo peso perché è essenzialmente un metamateriale a crescita naturale. Le cellule della pianta hanno pareti composte da fibre di cellulosa e polimeri di lignina collegati (che hanno rispettivamente unelevata resistenza alla trazione e alla compressione) e formano una matrice di scatole ripetute che consente una grande quantità di rigidità anche dopo gran parte del il peso dellacqua allinterno delle celle è stato asciugato. La bioingegneria dellorganismo per essere più forte richiederebbe solo la progettazione di sostituti organici migliori per cellulosa e lignina (e / o versioni ottimizzate). Nanotubi di carbonio o fogli di grafene non sono completamente fuori dal regno delle possibilità qui. Inoltre, la progettazione di strutture metamateriali più efficienti è un altro modo per migliorare le proprietà del materiale sfuso del legno. La cellulosa e la lignina del legno formano una matrice di mattoni per lo più rettangolari, che è essenzialmente un semplice reticolo cristallino cubico formato da pareti cellulari extracellulari. Gli impianti di ingegneria per avere una struttura di supporto intracellulare più complessa potrebbero consentire a queste strutture di assomigliare più da vicino alle strutture reticolari cubiche di diamante e aumentare la resistenza di un bel po .

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• Ovviamente, una volta che ‘ coltivi alberi di grafene / carbonio, conta ancora come ” legno “?
• Se hai nanobot che costruiscono una struttura di nanostrutture in carbonio, allora hai più una nanofabbrica che un albero ” ” quindi ‘ non avrebbe molto senso chiamare il materiale ” legno “. Tuttavia, se hai ancora un albero che cresce impilando cellula dopo cellula e utilizza semplicemente i nanotubi come cellulosa ottimizzata nelle sue pareti cellulari, perché non chiamarlo legno?
• Un altro buon esempio da aggiungere poiché il cablaggio sarebbe in alluminio, che in realtà è più leggero ed economico del rame per il cablaggio e viene utilizzato per lunghi cablaggi aerei per questi motivi, ma presenta una serie di svantaggi ciò compensa quello per molte altre applicazioni come il cablaggio domestico e lelettronica. E laltro lato di quella medaglia è che lalluminio è una buona scelta per lunghi percorsi ad alta tensione, nonostante la sua bassa conduttività, ecc. Lalluminio vs il rame è un buon esempio di diversi pro / contro in diversi scenari.
• @JasonC Lultima frase del paragrafo sul cablaggio menziona già Al che è ancora più economico del Cu e viene utilizzato in alcune applicazioni. Tuttavia, ‘ t entrare nei dettagli, poiché ‘ sono preoccupato che troppi dettagli potrebbero considerare questa domanda sul legno una un po troppo lontano dai binari.
• La manipolazione genetica ultra-futuristica potrebbe anche portare a unalternativa molto interessante di farlo in modo che le strutture fatte di legno mantengano in vita lorganismo! Poiché il legno sarebbe così duro, sarebbe difficile da raccogliere e lavorare per luso, così invece gli alberi geneticamente migliorati vengono piantati sul posto e fatti crescere nella forma desiderata, forse attraverso un processo che coinvolge strumenti esterni come illuminazione e reticoli.

Non per mettere da parte la domanda “legno più duro”, ma per quanto riguarda lapplicazione … i legni duri sono generalmente usati in luoghi in cui si desidera forza, ma non peso. Cose come manici di attrezzi, attrezzature sportive (mazze da baseball e mazze da hockey per esempio), mobili e così via.

Un piede cubo di acciaio è incredibilmente resistente, ma è anche incredibilmente pesante a 490 libbre (7900 kg / m ³ ). Un piede cubo di legno duro di solito è più vicino a 50 libbre (800 kg / m ³ ).

Per quanto riguarda “il miglior materiale per il lavoro”, ho sempre prediletto bastoni da hockey in legno, ma avvolti in legno in Kevlar aiuta con lusura da … Beh … Hockey. Sono leggere, leggermente flessibili, ma comunque incredibilmente resistenti. Il mio primo stick ha più di 20 anni ed è ancora utilizzabile nonostante alcune ammaccature dovute a giochi più violenti.

Per quanto riguarda la costruzione …Ovviamente lacciaio e il cemento sono più resistenti e in molti casi più durevoli, ma “sono molto più pesanti e” anche molto più costosi.

Inoltre … Il legno più duro possibile dipende dallapplicazione e dal fatto che si tratti di una semplice lastra o di uno strato composito.

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• Inoltre: il legno è visto come più rispettoso dellambiente del cemento / acciaio, può resistere meglio al freddo estremo, …

Stai chiedendo il legno più duro o il più resistente? Sono due cose diverse.

Bubinga è il legno più resistente che io conosca, con un modulo di rottura (flessione) di 24.410 lb $ _ \ text {f} $ / in $ ^ 2 $ (168,3 MPa) ma la resistenza allo schiacciamento (compressione) è solo 10.990 lb $ _ \ text {f} $ / in $ ^ 2 $ (75,8 MPa), meno della metà della forza di flessione.

Tieni presente che la forza di schiacciamento dipende molto dallorientamento del rispetto allo stress, la forza può essere fino a dieci volte inferiore quando lo stress è perpendicolare alla fibratura.

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• Vorrei aggiungine due cose qui: 1) Potrebbe essere possibile utilizzare qualcosa come una pressa idraulica per comprimere la volere prima della mano, rendendola così più forte. 2) Potrebbe essere possibile rendere il legno più forte monitorandone / influenzandone la crescita ‘. Per esempio. crescerebbe più lentamente con il freddo – quindi anelli annuali più stretti e legno più compatto. Anche cose come la rimozione di ramoscelli e rami possono influenzarlo – questo era stato fatto in precedenza per esempio su alberi destinati ad essere utilizzati per i telai delle finestre.
• Cè Ipe (” Noce brasiliano ” sebbene non sia una vera noce) con modulo di Ruputre 177 MPa e resistenza allo schiacciamento 93,8 MPa.

Lignum vitae è stato utilizzato in ingegneria da secoli. Oltre ad essere denso e resistente, ha anche linsolita proprietà di essere autolubrificante.

Molte turbine idroelettriche sono ancora realizzato utilizzando lignum vitae per i cuscinetti, e molti vecchi schemi idraulici sono ancora in servizio con i cuscinetti lignum vitae dopo decenni.

Era anche ampiamente utilizzato per ridurre lo stress / abbassare -cuscinetti di temperatura in auto e altri veicoli. Le estremità dei tiranti / tiranti, in particolare, erano sempre fatte di lignum vitae nelle auto prebelliche, e questo persistette fino agli anni 60 per alcune marche.

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• Per inciso: un paio di decenni fa ho fatto un giro della diga di Point du Bois sul fiume Winnipeg. La diga era stata costruita nel 1911. Le turbine erano ad asse orizzontale con i cuscinetti di estremità a monte in Lignum vitae, e lubrificate con un gocciolatoio. Nel 1983 usavano ancora i cuscinetti originali.
• @SherwoodBotsford Interessante – grazie!

Se cerchi solo il legno più duro, potresti dare unocchiata a legno pietrificato .

Assomiglierebbe al legno in apparenza, ma offrirebbe una solidità simile alla pietra. Pensa di usarlo per realizzare pilastri in un edificio, avresti un pilastro che sembra un albero, ma si comporta come una pietra.

Di couse difficilmente potresti usarlo come trave a causa della sua scarsa resistenza alla trazione.

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• Perché? Cosa offre il legno pietrificato allOP? Allo stato attuale, questa è molto poco più di una risposta di solo collegamento, in quanto reitera semplicemente una parte del titolo della domanda e quindi fornisce un collegamento a un articolo di Wikipedia.
• @MichaelKj ö rling, grazie per il tuo commento. Ho ampliato la risposta
• Ma il legno pietrificato non è più ‘ t legno, è ‘ roccia. In base a questi criteri, le piastrelle di ceramica a grana di legno (utilizzate per essere vendute con il marchio di ‘ Strata ‘) sarebbero ancora più difficili.
• Il legno pietrificato ‘ non deve sembrare legno o essere marrone. Possiedo alcuni esempi che hanno il colore del muro a secco.
• Quanto tempo ci vuole per pietrificare il legno? Potresti scolpire una struttura in legno (travi, giunti, ecc.) E poi pietrificare lintera cosa, quindi rimontare i pezzi di pietra? Ciò offrirebbe un vantaggio rispetto allintagliare la pietra in primo luogo?

Nella scienza dei materiali cè questo immagine della stessa forza applicata a materiali diversi delle stesse dimensioni.
La prima risposta a “come fare in modo che non si rompa così facilmente è” raddoppia la quantità di materiale o metti un supporto dove viene applicata la forza “.

Quindi la vera risposta alla tua domanda non è dove ma perché e come. Ad esempio il passaggio dalle navi in legno allacciaio è stato dettato dalle dimensioni che le navi in acciaio potevano avere. Daltra parte le navi piccole erano più economiche e leggere quando realizzato in fibra di vetro.
Lo stesso vale per le case, se vuoi costruire un edificio veloce e non sofisticato usi i prefabbricati. Ma il legno è più plastico e disponibile gratuitamente. Quindi potresti estirpare la tua trama e avere già materiale sul posto.

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• Hai scritto ” Ma il legno è più plastica “. Modificherei per aggiungere la parola mancante dopo ‘ altro ‘, ma ‘ m non sono sicuro di cosa avresti detto lì.
• @ Anon234_4521 egli ‘ sta cercando di dire che il legno è più plastica: plastica ˈplastɪk / 2. (di sostanze o materiali) facilmente sagomati o modellati. (modificato da en.oxforddictionaries.com/definition/plastic

Le tue domande sono molto ampie e non hanno una risposta definitiva. Come menzionato in altre risposte, “durezza” non “ha un unico significato.

Larticolo di Wikipedia sulla durezza menziona 3 principali “tipi” di durezza, ma anche utilizzando uno stile di macchina di misura, si osserveranno classifiche abbastanza diverse (e contrastanti). Un materiale duro, ad esempio, è praticamente inutile se si ammorbidisce sotto la pioggia o se esposto alla luce solare o appena invecchia. Naturalmente, puoi proteggere una superficie dal sole e dalla pioggia (in una certa misura), ma ci sono un numero abbastanza elevato di proprietà che una sostanza deve possedere per essere “utile”.

Inoltre, e la divulgazione completa qui, non sono un botanico e non ho alcuna conoscenza del Buloke, ma Wikipedia dice che “è una specie di Ironwood. La stessa tabella che lo elenca a> 5000 elenca Ironwood a ~ 3000. deve essere molto critico, tak ing questi numeri al valore nominale. Ironwoods, ne so (molto) un po . Una delle loro proprietà è il loro alto contenuto di olio. Questo è un bene per lidrorepellenza (e per gli insetti) ma non per la pittura o il contatto con altre superfici se “sono soggette a macchie perché (non se) lolio sanguina.

Come dice la risposta precedente , non confondere la durezza con la forza. La mia ipotesi per il legno “più duro” che potremmo allevare / ingegnerizzare sarebbe che sia duro quanto il biomateriale più duro conosciuto. Penso (ma non sono sicuro) che questa sia calcite, aragonite o la sostanza di cui è fatto lo smalto dei nostri denti, idrossiapatite. Sarebbe interessante determinare se i biomateriali a base di silice fossero più duri, non sarei sorpreso. (Diatomee e Radiolaria creano pareti di silice). Poiché i biomateriali sono nanocompositi e possono essere 10 volte più “duri” del minerale inorganico che derivano da, non è realmente possibile (imho) dire quale sia il limite superiore per la durezza. (La farina fossile è usata come abrasivo, quindi è probabilmente piuttosto difficile.)

Per un materiale da essere utile, non solo ha bisogno di una serie di proprietà per soddisfare una particolare esigenza, ma leconomia deve essere favorevole (ovvero lofferta del bene materiale e anche la domanda forte).

Il test che hai citato era ( probabilmente) progettato (almeno è stato selezionato) per essere utile con il legno nelle applicazioni in cui il legno viene utilizzato. Ciò significa che probabilmente sarebbero necessarie altre misure prima che un particolare legno sia ritenuto abbastanza duro da funzionare in qualche insolito , in modo atipico.

Fai due domande. La risposta alla prima è A. Per quanto ora sappiamo n, gli editori di Wikipedia ne sanno più di me, B. Per quanto è possibile, beh, questo è abbastanza aperto. È certamente possibile far sviluppare a una pianta una pelle simile ai materiali duri che si trovano nei regni degli animali (e del microbiota). Trova il biomateriale più duro conosciuto dalluomo e puoi iniziare da lì. Se vuoi speculare, aumenta la sua durezza di 10 volte.

Per rispondere alla seconda. Non ci hai fornito tutte le sue proprietà. Come ho detto, darci una singola proprietà e chiederci dove “potrebbe” essere utile non è probabile che raccogli molte risposte incisive, è semplicemente una domanda troppo ampia e vaga. Come si suol dire, il diavolo è nei dettagli. I materiali duri, generalmente sono usati per proteggere altri materiali dai danni, o al contrario, sono usati per danneggiare altri materiali. Quindi, usarli come strati superficiali o in abrasivi sarebbe il mio prima inclinazione.

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• Penso che questa risposta sarebbe notevolmente migliorata se la suddividessi in paragrafi, utilizzi una formattazione pertinente e un copy editing simile . Confronta writers.stackexchange.com/q/26899/2533 .
• Penso di aver corretto la spaziatura dei paragrafi, ma non esitare a eseguire il rollback la modifica se non sei daccordo.

Penso che “cambierò” Hardest “in” Resistente e versatile “perché non abbiamo ancora un caso duso per restringere le cose. Tuttavia, un legno estremamente resistente e versatile in Nord America è lOsage Orange Maclura pomifera . È anche noto come Hedge Tree. È anche la piaga di chiunque abbia bisogno di abbatterne uno nel proprio cortile.

1. The Hedge Tree è piuttosto duro , il più duro del Nord America con una durezza Janka di 2040 quando è verde e diventa più dura quando si asciuga, secondo quanto riferito fino a 2700. Questo è circa 2 volte tanto quanto la più dura delle querce. Ho visto che è consigliabile eseguire qualsiasi intaglio quando il legno è ancora verde perché non sarai in grado di farlo quando si asciuga.

2. È un po flessibile . Se combinato con la durezza, diventa un pregiato legno per fabbricanti di archi. I nativi americani farebbero un lungo viaggio per raccogliere arti da un Osage Orange per archi.

3. È molto resistente al marciume . È utilizzato frequentemente per i pali delle recinzioni perché resisterà al di sotto del livello (nel terreno) per molto, molto tempo. Non ottiene muffe o muffe che penetrano in profondità nel legno. Anche gli insetti sembrano evitare il legno. Il frutto è spesso usato come repellente naturale per insetti.

4. È denso . Questo legno mangerà le motoseghe. Io Lo so per aver dovuto tagliarne una nel mio cortile. Aveva circa 12 anni e ci sono volute 3 catene di motoseghe per passarci. Certo, ho una motosega economica, ma comunque. Per inciso ho ancora una parte enorme del tronco che è pesante da morire e voglio farci qualcosa, ma non so ancora cosa.

5. brucia caldo ! Quando viene usato come legna da ardere, spegne circa il doppio del consumo in BTU come la maggior parte delle varietà di quercia. Si apre molto, quindi non va bene in un caminetto aperto, ma in una stufa a legna sigillata sono stato in grado di mantenere la mia casa a circa 80 gradi f durante una tempesta di neve dove fuori erano 12 f.

6. cresce in una varietà di climi e terreni . È stato utilizzato nel Midwest per creare frangivento e per aiutare con lerosione del suolo durante il Dust Bowl.

Quindi per quello che è forse il legno naturale più duro e versatile che esista realmente, Osage Orange Maclura pomifera è tuo amico. Sarebbe anche una buona base per qualsiasi tipo di scimmia intorno a te potrebbe voler fare con i suoi geni.

Dato che stiamo costruendo il mondo, lascia “Presuppone qualche sviluppo nellingegneria genetica e lo sviluppo di proteine per catalizzare lassemblaggio di atomi di carbonio in strutture regolari.

Quindi è concepibile che il nostro albero modificato possa costruire una forma cristallina tetraedrica stabile di carbonio, almeno su scala cellulare, forse come pareti cellulari o una spina dorsale interna. Dato che è ancora un albero, queste piccole strutture sarebbero probabilmente incorporate in una matrice di cellulosa, che potrebbe avere i suoi punti deboli.

Tuttavia, la loro durezza finale sarebbe quella della loro forma cristallina: il diamante.

Quercia viva del sud Quercus virginiana ha una durezza Janka di 2.680 lbf (12.920 N) vedi http://www.wood-database.com/live-oak/ Non abbastanza “forte” come alcune altre specie, ma storicamente era una componente molto importante della costruzione navale americana perché i lunghi arti ricurvi delle travi potevano essere trasformati in nervature e altri legni strutturali senza dover essere intagliati. Questo ha dato grande forza allo scafo. Old Ironsides era un esempio di questo tipo di costruzione. La quercia viva era larma segreta della costruzione navale americana. Quindi parte della questione della durezza della forza ha a che fare con la forma anticipata.

Labete rosso aeronautico ha uno dei rapporti di forza più elevati: rapporti di peso di qualsiasi materiale naturale – un esempio un po diverso, ma anche degno di nota.

Risposta supplementare. Il legno è fatto di fibre di cellulosa. Quanto è forte la cellulosa?

Molto forte. Ci sono molti dettagli qui: https://www.extremetech.com/extreme/134910-nanocellulose-a-cheap-conductive-stronger-than-kevlar-wonder-material-made-from-wood-pulp . Citazione: “leggero, flessibile, più forte dellacciaio, più rigido dellacciaio Kevlar “… È, ovviamente, prodotto da un albero in una struttura affinata dallevoluzione (a lungo termine) e dallambiente (durante la vita dellalbero) per essere di migliore utilità per lalbero. Dobbiamo fare un po di lavoro per riformarlo in nanocellulosa, piuttosto che tagliarlo semplicemente in travi.

Il legno contiene anche una colla naturale chiamata lignina che lega insieme le fibre di cellulosa. Proprio come la cellulosa è forte almeno quanto le nostre migliori materie plastiche, la lignina è buona almeno quanto le nostre migliori colle e resine. Fino a poco tempo fa, era un ordine di grandezza migliore, ma i nostri chimici hanno recuperato, e ora possiamo incollare il legno al legno con la stessa forza, come se lalbero avesse fatto crescere il legno nella forma che volevamo (*). Entra in legno lamellare. (Nome orribile: una contrazione del laminato incollato, credo). Ad ogni modo, google “lamellare” e scoprirai che ora le persone stanno costruendo piccoli grattacieli in legno e ne stanno progettando di più grandi.Dopotutto, il legno lamellare non è la stessa cosa del semplice legno segato, quindi gli architetti stanno ancora cercando la loro strada e costruire prima esperienza e fiducia con strutture più piccole.

Questo significa costruire il mondo, quindi questi riferimenti ti dicono cosa è possibile (usando la cellulosa). Potremmo essere in grado di riprogrammare gli alberi per far crescere il legno più adatto alle nostre esigenze, utilizzando lingegneria genetica. O su un pianeta con una gravità maggiore, levoluzione potrebbe aver fatto lo stesso (altrimenti, non ci sono alberi su quel pianeta). Ed è anche possibile che là fuori ci sia un biopolimero migliore della cellulosa.

(*) A proposito, i costruttori medievali usavano le forme con cui lalbero cresceva. Non hanno inciso il legno in legni arbitrariamente diritti ma più deboli. Hanno costruito tetti ad arco e navi contenenti legname naturalmente curvo. Di tanto in tanto, hanno “persino armeggiato un po con la forma in cui lalbero stava crescendo mentre era piccolo e flessibile, quindi attendere un secolo per raccogliere il legname con le curve di cui avevano bisogno. Potremmo ora (o presto) avere la biotecnologia per guidare la crescita di un albero con mezzi più sottili che legare un alberello a una struttura. Tuttavia, abbiamo la pazienza?

Quindi non sono sicuro di quale sia il legno più duro ma qui in Australia la specie Ironwood storicamente sono stati utilizzati per i poli di potenza. La loro densità e forza significa che sono altamente resistenti alla decomposizione (un problema minore nellentroterra) e allattacco di termiti (cosa più importante). Luso dellacciaio non è unopzione così buona in quanto conduce lelettricità. Decenni fa gli Ironwood erano più accessibili in quanto si potevano tagliare dallambiente circostante. Ovviamente sono stati raccolti in eccesso ed essendo un albero a crescita molto lenta non sono più un prodotto di legno sostenibile. Inoltre, siamo più bravi a isolare i pali di acciaio e a formarli dal getto di calcestruzzo.