Hva er det hardeste treet som er mulig, og hvor vil dette være et praktisk materiale?

Hvorfor ville noen noen gang bruke et «verre» materiale til å gjøre en bestemt jobb?

Alle ingeniørprosjekter søker å minimere bruk av ulike ressurser for å oppnå de ønskede resultatene; «dårligere» materialer blir ofte brukt fordi pris og tilgjengelighet oppveier effektiviteten av ren materialeffektivitet.

For eksempel brukes kobberledninger i nesten alle elektriske applikasjoner. Hvorfor? Fordi det er en god billig leder. Er det den beste dirigenten? Nei; kobbers elektriske ledningsevne på $ 0,596 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ er bare ca 95% av sølv \ s $ 0,63 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $. Det som gjør kobber mer ønskelig for flere applikasjoner, dens besparelse, er det faktum at det koster rundt $ \ $ 2,7 / \ text {lb} $ (fra 2-4 \ $ / lb de siste 5 årene) sammenlignet med sølv $ $ 267,8 / \ text {lb} $ (varierer fra 200 til 500 \ $ / lb de siste 5 årene) pris. Faktisk prøver en rekke applikasjoner å konvertere til aluminiumsledninger fordi aluminium er $ 0,377 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ er fortsatt ganske rimelig for den lavere kostnaden på $ \ $ 0.85 / \ text {lb} $ (varierer fra 0.65-1.20 \ $ / lb de siste 5 årene).

Betong og stål er i utgangspunktet kobberene med henholdsvis trykkfasthet og strekkfasthet. De brukes i de fleste skyskrapere og andre store byggeprosjekter fordi de er veldig flinke til å gjøre jobben sin effektivt til en rimelig pris. brukes til mindre jobber der ren materialeffektivitet er mindre viktig enn kostnader forbundet med større tilgjengelighet og enkel konstruksjon.

Der kostnad ikke er den begrensende faktoren, kan andre mer spesifikke designkriterier eksistere. Tre er et dielektrikum (dvs. ikke-metall), og det kan derfor være mer ønskelig i applikasjoner der radiofrekvensrefleksjoner ville være uønskede. Tilsvarende er det ikke-magnetisk og blir ikke magnetisert slik et jernholdig metall som stål gjør. Tre er også relativt lett sammenlignet med betong og stål, det kan være nyttig når de fysiske dimensjonene er mindre bekymrede enn materialtettheten. p>

Hva er den vanskeligste tresorten som kan eksistere?

Dette spørsmålet er litt vanskeligere å svare direkte med tall, men himmelen er grensen hvis du tillater ultra-futuristiske nivåer av genetisk modifisering.

Tre er så sterkt i forhold til vekten fordi det egentlig er et naturlig voksende metamateriale. Plantens celler har vegger sammensatt av cellulosefibre og sammenkoblede ligninpolymerer (som har henholdsvis høy strekk- og trykkfasthet) og danner en matrise av gjentatte bokser som muliggjør en stor mengde stivhet selv etter mye cellens indre vannvekt er tørket ut. Bioingeniør av organismen for å være sterkere vil bare kreve design av bedre organiske erstatninger for cellulose og lignin (og / eller optimaliserte versjoner). Karbonnanorør eller grafenark er ikke helt utenfor muligheten her. Dessuten er utforming av mer effektive metamaterialkonstruksjoner en annen måte å forbedre treets masseegenskaper. Cellulose og lignin av tre danner en matrise av hovedsakelig rektangluære byggesteiner, som egentlig er et enkelt kubisk krystallgitter dannet av ekstracellulære cellevegger. Ingeniøranlegg for å ha mer komplisert støttemiddelstruktur mellom celler kan tillate at disse strukturene mer ligner diamantkubiske gitterstrukturer og øker styrken ganske mye.

Kommentarer

• Når du ‘ når du vokser grafen / karbonrær, teller den selvfølgelig fortsatt som » tre «?
• Hvis du har nanoboter som bygger et rammeverk av karbonnanostrukturer, har du mer en nanofabrikk enn et » tre » så det ‘ d er lite fornuftig i å kalle materialet » tre «. Men hvis du fremdeles har et tre som vokser ved å stable celle etter celle og bare bruker nanorør som en optimalt denginerert cellulose i celleveggene, hvorfor ikke kalle det tre?
• Et annet godt eksempel å legge til for ledningene ville være aluminium, som faktisk er lettere og billigere enn kobber for ledninger og brukes av lang ledning av de grunnene, men har en rekke ulemper som kompenserer for mange andre applikasjoner som husledninger og elektronikk. Og den andre siden av mynten er at aluminium er et godt valg for lange høyspentkjøringer til tross for lavere ledningsevne osv. Aluminium kontra kobber er et godt eksempel på forskjellige fordeler / ulemper i forskjellige scenarier.
• @JasonC Den siste setningen i ledningsavsnittet nevner allerede at Al er enda billigere enn Cu og blir brukt i noen applikasjoner. Jeg går ikke ‘ t mer detaljert, skjønt, da jeg ‘ er bekymret for at for mange detaljer kan ta dette spørsmålet om tre a litt for langt utenfor skinnene.
• Den ultrafuturistiske genetiske manipulasjonen kan også føre til et veldig interessant alternativ for å gjøre det slik at strukturer laget av treverket vil holde organismen i live! Siden treet ville være så vanskelig, ville det være vanskelig å høste og behandle for bruk, så i stedet blir de genetisk forbedrede trærne plantet på stedet og vokst til ønsket form, kanskje gjennom en prosess som involverer eksterne verktøy som belysning og gitter.

Ikke til sidestegg det «hardeste tre» -spørsmålet, men så langt som søknad … hardved brukes vanligvis på steder der du vil ha styrke, men ikke vekt. Ting som verktøyhåndtak, sportsutstyr (baseball flaggermus og hockeystokker for eksempel), møbler og så videre.

En kubikkfot av stål er utrolig sterk, men den er også utrolig tung ved 7900 kg / m ³ ). En kubikkfot hardved er vanligvis nærmere 800 kg / m ³ ).

Så langt som «det beste materialet for jobben» har jeg alltid hatt en preferanse for trehockeypinner, men innpakket med tre i Kevlar hjelper med slitasje fra … Vel … Hockey. De er lette, litt fleksible, men fortsatt utrolig sterke. Min første pinne er mer enn 20 år gammel, og den er fortsatt brukbar til tross for noen ting fra grovere skuespill.

Så langt byggingen går …Selvfølgelig er stål og betong sterkere og i mange tilfeller mer holdbare, men de er mye tyngre og de er også mye dyrere.

Også … Det hardeste treet som er mulig, avhenger virkelig av applikasjonen og om du snakker om en enkel plate eller et sammensatt lag.

Kommentarer

• Også: tre blir sett på som mer miljøvennlig enn betong / stål, kan motstå bedre mot ekstrem kulde, …

Spør du etter det hardeste treet eller det sterkeste? De er to forskjellige ting.

Bubinga er det sterkeste treet jeg vet om, med en modulus for brudd (bøyning) på 24.410 lb $ _ \ text {f} $ / i $ ^ 2 $ (168,3 MPa), men knusestyrken (kompresjon) er bare 10.990 lb $ _ \ text {f} $ / in $ ^ 2 $ (75,8 MPa), mindre enn halvparten av bøyestyrken.

Husk at knusestyrken er veldig avhengig av retningen til korn til stresset, styrken kan være så mye som ti ganger mindre når stresset er vinkelrett på kornet.

Kommentarer

• Vil gjerne legg til to ting her: 1) Det kan være mulig å bruke noe som en hydraulisk trykk for å komprimere ville før hånden, og dermed gjøre den sterkere. 2) Det kan være mulig å gjøre treet sterkere ved å overvåke / påvirke det ‘ s vekst. F.eks. det ville vokse langsommere i kaldt vær – dermed strammere årringer og mer kompakt tre. Også ting som å fjerne kvister og grener kan påvirke det – dette ble tidligere gjort for eksempel på trær som er ment å brukes til vindusrammer.
• Det er Ipe (» Brasiliansk valnøtt » men ikke en ekte valnøtt) med Modulus of Ruputre 177 MPa, og knusestyrke 93,8 MPa.

Lignum vitae har blitt brukt innen ingeniørfag i århundrer. I tillegg til å være tett og tøff, har den også den uvanlige egenskapen å være selvsmørende.

Mange vannelektriske turbiner er fremdeles laget med lignum vitae for lagre, og mange eldre hydroplaner er fremdeles i bruk med lignum vitae-lagre etter tiår.

Det ble også mye brukt for lavere stress / lavere -temperaturlager i biler og andre kjøretøyer. Spesielt sporstang / forbindelsesstangender var alltid laget av lignum vitae i førkrigsbiler, og dette vedvarte langt ut på 1960-tallet for noen merker.

Kommentarer

• I forbifarten: For noen tiår siden gjorde jeg en tur på Point du Bois-demningen på Winnipeg-elven. Dammen var bygget i 1911. Turbinene var horisontal akse med oppstrøms endelager laget av Lignum vitae, og smurt med vanndråpe. I 1983 brukte de fremdeles de opprinnelige lagrene.
• @SherwoodBotsford Interessant – takk!

Hvis du bare ser etter det hardeste treet, kan det være lurt å se på forsteinet tre .

Det ligner på tre det i utseende, men det ville tilby steinlignende soliditet. Tenk å bruke den til å lage søyler i en bygning, du vil ha en søyle som ser ut som et tre, men oppfører seg som en stein.

Du kan knapt bruke den som en bjelke på grunn av dens dårlige motstand. til trekkraft.

Kommentarer

• Hvorfor? Hva tilbyr forstenet trevirke OP? Slik det står, er dette veldig lite mer enn et kun koblingssvar, ettersom det bare gjentar en del av spørsmålstittelen og deretter gir en lenke til en Wikipedia-artikkel.
• @MichaelKj ö rling, takk for kommentaren din. Jeg utvidet svaret
• Men forstenet tre er ikke ‘ t tre lenger, det er ‘ s stein. Etter disse kriteriene ville trekornskeramiske fliser (pleide å selges under merkenavnet ‘ Strata ‘) være enda vanskeligere.
• Forstenet tre trenger ikke ‘ t å se ut som tre eller være brunt. Jeg eier noen eksempler som er fargen på gips.
• Hvor lang tid tar det å forstein tre? Kan du hugge ut en trekonstruksjon (bjelker, skjøter osv.) Og deretter forsteine hele greia og deretter sette sammen steinbitene igjen? Ville det gi noen fordel i forhold til utskjæring av stein i utgangspunktet?

I materialvitenskap er det dette bilde av samme kraft som påføres forskjellige materialer med samme dimensjoner.
Det første svaret på «hvordan man får det til å ikke bryte så lett, er» dobbelt så mye materiale eller legg en støtte der kraften påføres «.

Så det virkelige svaret på spørsmålet ditt er ikke hvor, men hvorfor og hvordan. For eksempel var overgangen fra treskip til stål diktert av dimensjonene stålskipet kunne ha. På den annen side var små skip billigere og lettere når laget av glassfiber.
Samme med hus, hvis du vil bygge rask, ikke sofistikert bygning, bruker du prefabrikker. Men tre er mer plastisk og fritt tilgjengelig. Så du kan rote plottet ditt og ha materiale på stedet allerede.

Kommentarer

• Du skrev » Men tre er mer plastisk «. Jeg vil redigere for å legge til det manglende ordet etter ‘ mer ‘, men jeg ‘ m ikke sikker på hva du skulle si der.
• @ Anon234_4521 han ‘ prøver å si at treet er mer plastisk: plast ˈplastɪk / 2. (av stoffer eller materialer) lett formet eller støpt. (redigert fra no.oxforddictionaries.com/definition/plastic

Dine spørsmål er veldig brede, og har ikke noe bestemt svar. Som nevnt i andre svar, har «hardhet» ikke en eneste betydning.

Wikipedia Hardness-artikkelen nevner Tre hovedtyper av «hardhet», men selv ved bruk av en målemaskin, vil det bli observert ganske forskjellige (og motstridende) rangeringer. Et hardt materiale, for eksempel, er ganske ubrukelig hvis det mykner i regn eller ved eksponering for sollys. eller akkurat som den eldes. Selvfølgelig kan du beskytte en overflate mot sol og regn (til en viss grad), men det er et ganske stort antall egenskaper som et stoff må ha for å være «nyttig».

Også, og fullstendig avsløring her, er jeg ikke botaniker, og har ingen kjennskap til Buloke, men Wikipedia sier at det er en jernvedart. Den samme tabellen som viser den på> 5000 viser jernved på ~ 3000. Du må være veldig kritisk tak disse tallene til pålydende. Ironwoods, jeg vet litt (veldig) litt om. En av egenskapene deres er deres høye oljeinnhold. Dette er bra for vannavstøtende (og bug) avstøtende egenskaper, men ikke bra for maling eller kontakt med andre overflater hvis de «er utsatt for flekker som (ikke hvis) oljen bløder ut.

Som forrige svar sier , ikke forveksle hardhet med styrke. Min gjetning for det «hardeste» treet vi kunne avle / konstruere, ville være at det er like hardt som det vanskeligste biomaterialet som er kjent. Jeg tror (men er ikke sikker) dette er enten kalsitt, aragonitt, eller de tingene tennemaljen vår er laget av, hydroksylapatitt. Det ville være interessant å avgjøre om silisiumdioksydbaserte biomaterialer var vanskeligere, ville jeg ikke bli overrasket. (Diatomer og Radiolaria lager silikavegger). Siden biomaterialer er nanokompositter, og kan være 10 ganger «hardere» enn det uorganiske mineralet de får fra, er det ikke virkelig mulig (imho) å si hva den øvre grensen er for hardhet. (Kiselgur brukes som et slipemiddel, så det er sannsynligvis ganske vanskelig.)

For et materiale å være nyttig, det trenger ikke bare en rekke egenskaper for å matche et bestemt behov, men økonomien må være gunstig (det vil si tilgangen på materialet og etterspørselen også sterk).

Testen du nevnte var ( sannsynligvis) designet (i det minste ble valgt) for å være nyttig med tre i applikasjonene tre brukes i. Betydning at andre tiltak ville trolig være nødvendige før et bestemt tre anses å være vanskelig nok til å fungere i noe uvanlig , atypisk måte.

Du stiller to spørsmål. Svaret på det første er A. Så langt det som nå er kjent n, Wikipedia-redaktører vet mer enn jeg, B. Så langt det er mulig, vel, det er ganske mye åpent. Det er absolutt mulig å få en plante til å utvikle en hud som ligner på de harde materialene som finnes i dyrerikene (og mikrobiota). Finn det vanskeligste biomaterialet kjent for mennesker, og du kan begynne der. Hvis du vil spekulere, kan du øke hardheten med 10X.

For å svare på det andre. Du ga oss ikke alle egenskapene. Som sagt, å gi oss en enkelt eiendom og spørre hvor den «kan» være nyttig, vil ikke sannsynligvis skaffe mange skarpe svar, det er bare et altfor bredt og vagt spørsmål. Som de sier, djevelen er i detaljene. Harde materialer brukes vanligvis til å beskytte andre materialer mot skader, eller bare motsatt, de brukes til å skade andre materialer. Så, bruk som overflatelag eller i slipemiddel ville være min første tilbøyeligheten.

Kommentarer

• Jeg tror at dette svaret vil bli betydelig forbedret hvis du deler det inn i avsnitt, bruker relevant formatering og lignende kopieredigering . Sammenlign writers.stackexchange.com/q/26899/2533 .
• Jeg tror jeg har avsnittavstanden riktig, men tilbakestill gjerne redigeringen hvis du er uenig.

Jeg tror jeg kommer til å endre «Hardest» til » Tøff og allsidig «fordi vi ikke har en brukssak ennå for å begrense ting. Imidlertid er et ekstremt tøft og allsidig treverk i Nord-Amerika Osage Orange Maclura pomifera . Det er også kjent som Hedge Tree. Det er også pesten til alle som har behov for å kutte en ned i sin egen hage.

1. Hedge Tree er pen tøff , den tøffeste i Nord-Amerika med en Janka-hardhet fra 2040 når den er grønn og den blir vanskeligere når den tørker ut, angivelig opp til 2700. Dette er omtrent 2 ganger så mye som den vanskeligste av Oaks. Jeg har sett det anbefales at du gjør noe utskjæring når treet fremdeles er grønt fordi du ikke kan når det tørker.

2. Det er noe fleksibel . Når den kombineres med hardheten, blir det et verdsatt bøggemakertre. Indianere ville reise ganske langt for å høste lemmer fra en Osage Orange for buer.

3. Det er veldig motstandsdyktig mot rot . ofte brukt til gjerdestolper fordi det vil vare under grad (i bakken) i lang, lang tid. Det blir ikke mugg eller mugg som kommer dypt inn i treet. Feil synes også å unngå treverket. Frukten brukes ofte som et naturlig insektmiddel.

4. Det «s tett . Dette treverket vil spise motorsager. Jeg vet dette fra å måtte kutte en ned i hagen min. Den var omtrent 12 år gammel og det tok 3 motorsagkjeder å komme igjennom. Gitt, jeg har en billig motorsag, men likevel. Forøvrig har jeg fortsatt en stor del av kofferten er tungt, og jeg vil gjøre noe med det, men jeg vet ikke hva ennå.

5. det brenner hot ! Når den brukes som ved, vil den legge ut omtrent dobbelt så mye som i BTU som de fleste varianter av eik. Den spretter mye, så ikke bra i en åpen peis, men i en forseglet vedovn klarte jeg å holde huset mitt omtrent 80 grader f under en snøstorm der ute var 12 f.

6. Den vokser i en rekke klima og jordsmonn . Den ble brukt i Midtvesten for å skape vindbrudd og for å hjelpe til med jorderosjon under støvskålen.

Så for det som muligens er mulig det tøffeste og mest allsidige naturlige treet som faktisk eksisterer, er Osage Orange Maclura pomifera din venn. Det vil også gi et godt grunnlag for enhver form for apekatter rundt deg vil kanskje gjøre med genene.

Når vi er verdensbygging, la «antar en viss utvikling innen genteknikk, og utvikling av proteiner for å katalysere samlingen av karbonatomer i vanlige strukturer.

Så kan det tenkes at vårt modifiserte tre kunne bygge en stabil tetraedrisk krystallform av karbon, i det minste i mobilskala – kanskje som cellevegger eller en indre ryggrad. Ettersom det fortsatt er et tre, disse små strukturene ville trolig være innebygd i en cellulosematrise, som kan ha sine egne svakheter.

Likevel vil deres ultimate hardhet være den av deres krystallinske form – diamant.

Sørlig levende eik Quercus virginiana har en Janka-hardhet på 2.690 lbf (12.920 N) se http://www.wood-database.com/live-oak/ Ikke så «sterk» som noen andre arter, men historisk sett var det en veldig viktig komponent i amerikansk skipsbygging fordi tømmerets lange, buede lemmer kunne gjøres til ribbe og annet strukturelt tømmer uten å være hugget. Dette ga stor styrke til skroget. Old Ironsides var et eksempel på denne typen konstruksjon. Levende eik var det hemmelige våpenet til amerikansk skipsbygging. Så en del av spørsmålet om styrkehardhet har å gjøre med forventet form.

Flygran har en av de høyeste styrkene: vektforhold for noe naturlig materiale – noe annet eksempel, men også bemerkelsesverdig.

Supplerende svar. Tre er laget av cellulosefibre. Hvor sterk er cellulose?

Veldig sterk. Det er mange detaljer her: https://www.extremetech.com/extreme/134910-nanocellulose-a-cheap-conductive-stronger-than-kevlar-wonder-material-made-from-wood-pulp . Sitat: «lett, fleksibel, sterkere enn stål, stivere enn Kevlar «… Det er selvfølgelig produsert av et tre i en struktur som er finslipt av evolusjon (langsiktig) og miljø (i løpet av treets levetid) for å være best mulig å bruke for treet. Vi må gjøre litt arbeid for å omforme det til nanocellulose, i stedet for å bare sage det i bjelker.

Tre inneholder også et naturlig lim som kalles lignin som binder cellulosefibre sammen. Akkurat som cellulose er minst like sterk som vår beste plast, er lignin minst like god som våre beste lim og harpiks. Inntil nylig var det en størrelsesorden bedre, men kjemikerne våre har tatt igjen, og nå kan vi lime tre så sterkt på treet som om treet hadde vokst treet i den formen vi ønsket (*). Gå inn på limtre. (Vemmelig navn: en sammentrekning av limt laminat, tror jeg). Uansett, google «limtre» og du vil finne ut at folk nå bygger små skyskrapere av tre og planlegger større.Det er tross alt vekt for vekt så sterk som stål (og mot-intuitivt, mer brannbestandig!) Limtre er ikke det samme som enkelt saget tømmer, så arkitekter føler seg fortsatt og bygge erfaring og selvtillit med mindre strukturer først.

Dette er verdensbygging, så disse referansene forteller deg hva som er mulig (ved bruk av cellulose). Vi kan være i stand til å omprogrammere trær for å dyrke tre som er mer tilpasset våre egne behov, ved hjelp av genteknologi. Eller på en planet med høyere tyngdekraft, kan evolusjonen ha gjort det samme (ellers er det ingen trær på den planeten). Og det er til og med mulig at det er en bedre biopolymer der ute enn cellulose.

(*) forresten, brukte middelalderbyggere formene som treet vokste. De hakket ikke treet i vilkårlig rette, men svakere tømmer. De bygde buelignende tak og skip som inneholdt naturlig buet tømmer. Noen ganger ville de til og med flette litt med formen som treet vokste inn i mens det var lite og bøyelig, vent deretter et århundre med å høste tømmer med kurvene de trengte. Vi kan nå (eller snart) ha bioteknologien til å styre veksten av et tre på mer subtile måter enn å binde et plantverk til et rammeverk. Har vi imidlertid tålmodighet?

Så usikker på hvilket tre som er vanskeligst, men her i Australia er jernvedarten har historisk blitt brukt til kraftpoler. Tettheten og styrken deres betyr at de er svært motstandsdyktige mot rotting (mindre av et problem i outback) og termittangrep (enda viktigere). Å bruke stål er ikke så bra et alternativ da det leder strøm. For flere tiår siden var jernvedene mer tilgjengelige, ettersom du kunne kutte dem fra omgivelsene. Selvfølgelig har de blitt høstet for mye, og det å være et veldig sakte voksende tre er ikke lenger et bærekraftig treprodukt. Vi er også bedre til å isolere stålstenger og forme dem av støpt betong.