Qual é a madeira mais dura possível e onde isso seria um material prático?

Por que alguém usaria um material “pior” para fazer um trabalho específico?

Todos os projetos de engenharia procuram minimizar o uso de diversos recursos para alcançar os resultados desejados; materiais “piores” são usados com frequência porque o custo e a disponibilidade superam em muito a eficácia da eficiência do material puro.

Por exemplo, a fiação de cobre é usada em quase todas as aplicações elétricas. Porque? Porque é um bom maestro barato. É o melhor maestro? Não; a condutividade elétrica do cobre de $ 0,596 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ é apenas cerca de 95% da prata “s $ 0,63 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $. O que torna o cobre mais desejável para mais aplicações, sua graça econômica, é o fato de que custa cerca de $ \ $ 2,7 / \ text {lb} $ (variando de 2-4 \ $ / lb nos últimos 5 anos) em comparação com a prata Preço de $ \ $ 267,8 / \ text {lb} $ (variando de 200-500 \ $ / lb nos últimos 5 anos). Na verdade, vários aplicativos estão tentando converter para fiação de alumínio porque o alumínio custa $ 0,377 \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ ainda é bastante razoável para seu custo mais baixo de $ \ $ 0,85 / \ text {lb} $ (variando de 0,65-1,20 \ $ / lb nos últimos 5 anos).

O concreto e o aço são basicamente os cobre de resistência à compressão e resistência à tração, respectivamente. Eles são usados na maioria dos arranha-céus e em outros grandes projetos de construção porque são muito bons em fazer seu trabalho de forma eficiente a um preço razoável. A madeira normalmente é usado para trabalhos de menor escala, onde a eficiência do material puro é menos importante do que os custos associados a maior disponibilidade e facilidade de construção.

Onde o custo não é o fator limitante, outros critérios de projeto mais específicos podem existir. A madeira é um dielétrico (ou seja, não metálico) e, portanto, pode ser mais desejável em aplicações onde os reflexos de radiofrequência seriam indesejáveis. Da mesma forma, é não magnético e não se torna magnetizado da mesma forma que um metal ferroso como o aço. A madeira também é relativamente leve em comparação com o concreto e o aço, pode ser útil quando as dimensões físicas pesadas são menos preocupantes do que a densidade do material. p>

Qual é a espécie de madeira mais dura que pode existir?

Esta pergunta é um pouco mais difícil de responder com números, mas o céu é o limite se você permitir níveis ultrafuturísticos de modificação genética.

A madeira é tão forte em relação ao seu peso porque é essencialmente um metamaterial de crescimento natural. As células da planta têm paredes compostas por fibras de celulose e polímeros de lignina ligados (que têm alta resistência à tração e compressão, respectivamente) e formam uma matriz de caixas repetidas que permite uma grande quantidade de rigidez, mesmo depois de muito o peso da água no interior das células secou. A bioengenharia para que o organismo fosse mais forte exigiria apenas a criação de melhores substitutos orgânicos para a celulose e a lignina (e / ou versões otimizadas). Nanotubos de carbono ou folhas de grafeno não estão completamente fora do reino das possibilidades aqui. Além disso, projetar estruturas de metamateriais mais eficientes é outra maneira de melhorar as propriedades do material a granel da madeira. A celulose e a lignina da madeira formam uma matriz de blocos de construção principalmente retangulares, que é essencialmente uma rede cristalina cúbica simples formada por paredes celulares extracelulares. Plantas de engenharia para ter uma estrutura de suporte intracelular mais complexa pode permitir que essas estruturas se assemelhem mais às estruturas de retículo cúbico de diamante e aumentem a resistência um pouco.

Comentários

• Claro, depois de ‘ voltar a crescer árvores de grafeno / carbono, isso ainda conta como ” madeira “?
• Se você tem nanobots construindo uma estrutura de nanoestruturas de carbono, então você tem mais uma nanofábrica do que uma árvore ” ” então ‘ daria pouco sentido chamar o material de ” madeira “. No entanto, se você ainda tem uma árvore que cresce empilhando célula após célula e simplesmente usa nanotubos como uma celulose projetada de maneira otimizada em suas paredes celulares, por que não chamá-la de madeira?
• Outro bom exemplo para adicionar para a fiação seria o alumínio, que na verdade é mais leve e mais barato que o cobre para fiação e é usado para fiação longa suspensa por esses motivos, mas tem uma série de desvantagens que compensa isso para muitas outras aplicações, como fiação e eletrônica residencial E o outro lado da moeda é que o alumínio é uma boa escolha para longas execuções aéreas de alta tensão, apesar de sua baixa condutividade, etc. Alumínio versus cobre é um bom exemplo de diferentes prós / contras em diferentes cenários.
• @JasonC A última frase do parágrafo de fiação já menciona que o Al é ainda mais barato que o Cu e é usado em algumas aplicações. Eu não ‘ não entro em mais detalhes, pois ‘ estou preocupado que muitos detalhes possam levar a esta questão sobre madeira a um pouco fora dos trilhos.
• A manipulação genética ultra-futurista também pode levar a uma alternativa muito interessante de fazê-la de forma que estruturas feitas de madeira mantenham o organismo vivo! Como a madeira seria tão dura, seria difícil colher e processar para uso, então, em vez disso, as árvores geneticamente melhoradas são plantadas no local e crescidas na forma desejada, talvez por meio de um processo que envolve ferramentas externas, como iluminação e treliças.

Não para evitar a questão da “madeira mais dura”, mas no que diz respeito à aplicação … madeiras duras são geralmente usadas em lugares onde você deseja resistência, mas não peso. Coisas como cabos de ferramentas, equipamentos esportivos (tacos de beisebol e tacos de hóquei, por exemplo), móveis e assim por diante.

Um pé cúbico de aço é incrivelmente forte, mas também é incrivelmente pesado, pesando 490 lbs (7900 kg / m ³ ). Um pé cúbico de madeira dura geralmente está mais perto de 50 lbs (800 kg / m ³ ).

Em relação a “o melhor material para o trabalho”, sempre tive preferência por tacos de hóquei de madeira, mas embrulhados em madeira em Kevlar ajuda com o desgaste do … Bem … Hóquei. Eles são leves, ligeiramente flexíveis, mas ainda assim incrivelmente fortes. Meu primeiro bastão tem mais de 20 anos e ainda pode ser usado, apesar de alguns golpes de jogadas mais ásperas.

No que diz respeito à construção …É claro que o aço e o concreto são mais resistentes e, em muitos casos, mais duráveis, mas eles são muito mais pesados e também muito mais caros.

Além disso … A madeira mais dura possível realmente depende da aplicação e se você está falando sobre uma placa simples ou uma camada composta.

Comentários

• Além disso: a madeira é considerada mais ecológica do que concreto / aço, pode resistir melhor ao frio extremo, …

Você está pedindo a madeira mais dura ou mais forte? São duas coisas diferentes.

Bubinga é a madeira mais forte que conheço, com um Módulo de Ruptura (dobra) de 24.410 lb $ _ \ text {f} $ / em $ ^ 2 $ (168,3 MPa), mas a resistência ao esmagamento (compressão) é de apenas 10.990 lb $ _ \ text {f} $ / in $ ^ 2 $ (75,8 MPa), menos da metade da resistência à flexão.

Lembre-se de que a resistência ao esmagamento depende muito da orientação do grão à tensão, a resistência pode ser até dez vezes menor quando a tensão é perpendicular ao grão.

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• Gostaria de adicione dois coisas aqui: 1) Pode ser possível usar algo como uma prensa hidráulica para comprimir a serra antes da mão, tornando-a mais forte. 2) Pode ser possível tornar a madeira mais forte monitorando / influenciando seu crescimento ‘. Por exemplo. cresceria mais devagar no tempo frio – portanto, anéis de ano mais apertados e madeira mais compacta. Além disso, coisas como remover galhos e galhos podem afetá-lo – isso foi feito anteriormente, por exemplo, em árvores destinadas a serem usadas para molduras de janelas.
• Existe o Ipe (” Noz brasileira ” embora não seja uma noz verdadeira) com Módulo de Ruputre 177 MPa e resistência ao esmagamento de 93,8 MPa.

Lignum vitae tem sido usado em engenharia há séculos. Além de ser denso e resistente, também tem a propriedade incomum de ser autolubrificante.

Muitas turbinas hidroelétricas ainda feito usando lignum vitae para rolamentos, e muitos esquemas hidrelétricos mais antigos ainda estão em serviço com rolamentos de lignum vitae depois de décadas.

Também foi amplamente usado para baixa tensão / baixa – rolamentos de temperatura em carros e outros veículos. As pontas da haste / tirante, em particular, sempre foram feitas de lignum vitae em carros do pré-guerra, e isso persistiu até a década de 1960 para algumas marcas.

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• De passagem: algumas décadas atrás, fiz um tour pela represa Point du Bois no rio Winnipeg. A barragem havia sido construída em 1911. As turbinas eram de eixo horizontal com mancais de montante em Lignum vitae e lubrificados com gotejamento de água. Em 1983, eles ainda estavam usando os rolamentos originais.
• @SherwoodBotsford Interessante – obrigado!

Se você procura apenas a madeira mais dura, pode procurar em madeira petrificada .

Seria semelhante a madeira. na aparência, mas ofereceria uma solidez de pedra. Pense em usá-lo para fazer pilares em uma construção, você teria um pilar que se parece com uma árvore, mas se comporta como uma pedra.

É claro que você dificilmente poderia usá-lo como uma viga devido à sua baixa resistência à tração.

Comentários

• Por quê? O que a madeira petrificada oferece ao OP? Do jeito que está, isso é pouco mais do que uma resposta com apenas um link, pois simplesmente reitera uma parte do título da pergunta e, em seguida, fornece um link para um artigo da Wikipedia.
• @MichaelKj ö rling, obrigado pelo seu comentário. Ampliei a resposta
• Mas a madeira petrificada não é ‘ t madeira mais, é ‘ uma rocha. Por esse critério, a telha cerâmica granulada de madeira (costumava ser vendida com a marca de ‘ Strata ‘) seria ainda mais difícil.
• Madeira petrificada não ‘ t tem que se parecer com madeira ou ser marrom. Eu tenho alguns exemplos que são da cor de drywall.
• Quanto tempo leva para petrificar a madeira? Você poderia esculpir uma estrutura de madeira (vigas, juntas, etc) e então petrificar a coisa toda, então remontar as peças de pedra? Isso ofereceria alguma vantagem sobre esculpir pedra em primeiro lugar?

Na ciência dos materiais, existe isso imagem da mesma força aplicada a diferentes materiais das mesmas dimensões.
A primeira resposta para “como fazer para não quebrar tão facilmente é” dobrar a quantidade de material ou colocar um suporte onde a força é aplicada “.

Portanto, a verdadeira resposta à sua pergunta não é onde, mas por que e como. Por exemplo, a mudança de navios de madeira para aço foi ditada pelas dimensões que um navio de aço poderia ter. Por outro lado, navios pequenos eram mais baratos e mais leves quando feito de fibra de vidro.
O mesmo acontece com as casas, se você quiser construir um prédio rápido e não sofisticado, use pré-fabricados. Mas a madeira é mais plástica e está disponível gratuitamente. Então você pode arrancar sua trama e já ter material no local.

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• Você escreveu ” Mas a madeira é mais plástica “. Gostaria de editar para adicionar a palavra que falta depois de ‘ mais ‘, mas ‘ m não tenho certeza do que você ia dizer lá.
• @ Anon234_4521 ele ‘ está tentando dizer que a madeira é mais plástica: plástico ˈplastɪk / 2. (de substâncias ou materiais) facilmente moldados ou moldados. (editado de en.oxforddictionaries.com/definition/plastic

Suas perguntas são muito amplas e não têm uma resposta definitiva. Conforme mencionado em outras respostas, “dureza” não tem um único significado.

O artigo da Wikipedia sobre Dureza menciona 3 “tipos” principais de dureza, mas mesmo usando um estilo de máquina de medição, classificações bem diferentes (e conflitantes) serão observadas. Um material duro, por exemplo, é praticamente inútil se amolecer na chuva ou na exposição à luz solar ou à medida que envelhece. Claro, você pode proteger uma superfície do sol e da chuva (até certo ponto), mas há um grande número de propriedades que uma substância deve ter para ser “útil”.

Além disso, e revelação completa aqui, eu não sou um botânico e não tenho conhecimento do Buloke, mas a Wikipedia diz que é uma espécie de Ironwood. A mesma tabela que o lista em> 5000 lista Ironwood em ~ 3000. Você tem que ser muito crítico tak com esses números pelo valor de face. Ironwoods, eu sei um (muito) pouco sobre. Uma de suas propriedades é o alto teor de óleo. Isso é bom para repelir a água (e insetos), mas não é bom para pintar ou entrar em contato com outras superfícies se elas “estiverem sujeitas a manchas, pois (não se) o óleo vazar.

Conforme a resposta anterior diz , não confunda dureza com resistência. Meu palpite para a madeira “mais dura” que poderíamos criar / projetar seria que ela é tão dura quanto o biomaterial mais duro conhecido. Eu acho (mas não tenho certeza) que isso é calcita, aragonita ou a substância de que o esmalte de nossos dentes é feito, hidroxilapatita. Seria interessante determinar se os biomateriais à base de sílica eram mais difíceis, não ficaria surpreso. (Diatomáceas e radiolários fazem paredes de sílica). Como os biomateriais são nanocompósitos e podem ser 10 vezes “mais duros” do que o mineral inorgânico que eles derivam de, não é realmente possível (imho) dizer qual é o limite superior para dureza. (Terra diatomácea é usada como um abrasivo, por isso é provavelmente muito difícil.)

Para um material, ser útil, não só precisa de uma série de propriedades para atender a uma necessidade específica, mas a economia deve ser favorável (ou seja, o fornecimento do bem material e a demanda também são fortes).

O teste que você mencionou foi ( provavelmente) projetado (pelo menos foi selecionado) para ser útil com madeira nas aplicações em que a madeira é usada. O que significa que provavelmente seriam necessárias outras medidas antes que uma madeira em particular fosse considerada dura o suficiente para funcionar em alguns , maneira atípica.

Você faz duas perguntas. A resposta à primeira é A. Pelo que agora se sabe n, os editores da Wikipedia sabem mais do que eu, B. Na medida do possível, bem, isso é praticamente em aberto. É certamente possível fazer uma planta desenvolver uma pele semelhante aos materiais duros encontrados nos reinos animal (e microbiota). Encontre o biomaterial mais duro conhecido pelo homem e você pode começar por aí. Se você quiser especular, aumente sua dureza em 10X.

Para responder ao segundo. Você não nos deu todas as suas propriedades. Como eu disse, dar-nos uma única propriedade e perguntar onde ela “poderia” ser útil provavelmente não trará muitas respostas incisivas, é uma questão muito ampla e vaga. Como se costuma dizer, o diabo está nos detalhes. Materiais duros, geralmente são usados para proteger outros materiais de danos, ou pelo contrário, são usados para danificar outros materiais. Então, usar como camadas superficiais ou em abrasivos seria meu primeira inclinação.

Comentários

• Acho que esta resposta seria significativamente melhorada se você dividisse em parágrafos, usasse formatação relevante e edição de texto semelhante . Compare writingers.stackexchange.com/q/26899/2533 .
• Acho que acertei o espaçamento dos parágrafos, mas sinta-se à vontade para reverter a edição se você discordar.

Acho que vou mudar “Mais difícil” para ” Resistente e versátil “porque não temos um caso de uso ainda para restringir as coisas. No entanto, uma madeira extremamente resistente e versátil na América do Norte é o Osage Orange Maclura pomifera . Também conhecida como árvore de hedge. Também é a praga de quem precisa derrubar um no próprio quintal.

1. A árvore de hedge é bonita difícil , a mais difícil da América do Norte com uma Dureza Janka de 2040 quando verde e fica mais difícil à medida que seca, supostamente até 2700. Isso é cerca de 2 vezes mais que o mais duro dos Oaks. Tenho visto que é recomendado que você faça qualquer entalhe quando a madeira ainda estiver verde, porque você “não conseguirá quando ela secar.

2. É um pouco flexível . Quando combinada com a dureza, torna-se uma valiosa madeira para fabricantes de arcos. Os nativos americanos viajariam um longo caminho para colher galhos de uma laranja osage para arcos.

3. É muito resistente à rot . frequentemente usado para mourões porque dura abaixo do nível (no solo) por muito, muito tempo. Não cria bolor ou mofo na madeira. Os insetos também parecem evitar a madeira. A fruta é frequentemente usada como repelente natural de insetos.

4. É “s densa . Esta madeira comerá motosserras. I sei disso por ter que cortar uma no meu quintal. Tinha cerca de 12 anos e levou 3 correntes para passar. Concedido, eu tenho uma motosserra barata, mas ainda assim. Por acaso, ainda tenho uma grande parte do tronco que é pesado pra caramba e eu quero fazer algo com ele, mas não sei o que ainda.

5. ele queima quente ! Quando usado como lenha, ele vai tirar cerca de duas vezes mais do que a maioria das variedades de carvalho em BTU. Ele estala muito, então não é bom em uma lareira aberta, mas em um fogão a lenha selado eu era capaz de manter minha casa por volta de 80 graus f durante uma tempestade de neve onde o exterior estava 12 f.

6. Ele cresce em uma variedade de climas e solos . Foi usado no meio-oeste para criar quebra-ventos e ajudar na erosão do solo durante o Dust Bowl.

Então, para o que é possível a madeira natural mais resistente e versátil que realmente existe, Osage Orange Maclura pomifera é sua amiga. Também seria uma boa base para qualquer tipo de truque que você queira fazer com seus genes.

Como estamos construindo mundos, vamos “s pressupõem algum desenvolvimento em engenharia genética e o desenvolvimento de proteínas para catalisar a montagem de átomos de carbono em estruturas regulares.

Então, é concebível que nossa árvore modificada pudesse construir uma forma cristalina tetraédrica estável de carbono, pelo menos em uma escala celular – talvez como paredes celulares ou uma espinha interna. Como ainda é uma árvore, essas pequenas estruturas provavelmente estariam embutidas em uma matriz de celulose, que pode ter seus próprios pontos fracos.

No entanto, sua dureza final seria a de sua forma cristalina – diamante.

O carvalho vivo do sul Quercus virginiana tem uma dureza Janka de 2.680 lbf (12.920 N), consulte http://www.wood-database.com/live-oak/ Não é tão “forte” quanto algumas outras espécies, mas historicamente era um componente muito importante da construção naval americana porque os membros longos e curvos das madeiras podiam ser transformados em costelas e outras madeiras estruturais sem ter que ser entalhado. Isso deu grande força ao casco. Old Ironsides foi um exemplo desse tipo de construção. O carvalho vivo era a arma secreta da construção naval americana. Portanto, parte da questão da dureza da força tem a ver com a forma antecipada.

O abeto de aeronave tem uma das maiores proporções de resistência: peso de qualquer material natural – exemplo um tanto diferente, mas também digno de nota.

Resposta complementar. A madeira é feita de fibras de celulose. Quão forte é a celulose?

Muito forte. Há muitos detalhes aqui: https://www.extremetech.com/extreme/134910-nanocellulose-a-cheap-conductive-stronger-than-kevlar-wonder-material-made-from-wood-pulp . Citação: “leve, flexível, mais forte que o aço, mais rígido que Kevlar “… É, obviamente, produzido por uma árvore em uma estrutura aprimorada pela evolução (longo prazo) e pelo ambiente (durante a vida da árvore) para ser o melhor uso para a árvore. Temos que trabalhar um pouco para remodelá-lo em nanocelulose, em vez de apenas serrar em feixes.

A madeira também contém uma cola natural chamada lignina, que une as fibras de celulose. Assim como a celulose é pelo menos tão forte quanto nossos melhores plásticos, a lignina é pelo menos tão boa quanto nossas melhores colas e resinas. Até recentemente, era uma ordem de magnitude melhor, mas nossos químicos os alcançaram, e agora podemos colar madeira na madeira com a mesma força que a árvore fez com que a madeira tivesse a forma que desejávamos (*). Digite Glulam. (Nome horrível: uma contração de laminado colado, eu acho). De qualquer forma, google “glulam” e você descobrirá que as pessoas agora estão construindo pequenos arranha-céus de madeira e planejando outros maiores.Afinal de contas, peso por peso é tão forte quanto o aço (e, de forma não intuitiva, mais resistente ao fogo!) Glulam não é a mesma coisa que madeira serrada, então os arquitetos ainda estão tateando e construindo experiência e confiança com estruturas menores primeiro.

Isso é construir um mundo, então essas referências mostram o que é possível (usando celulose). Podemos ser capazes de reprogramar árvores para produzir madeira mais adequada às nossas próprias necessidades, usando a engenharia genética. Ou em um planeta com maior gravidade, a evolução pode ter feito o mesmo (caso contrário, não há árvores naquele planeta). E é até possível que exista um biopolímero melhor do que a celulose.

(*) A propósito, os construtores medievais usaram as formas que a árvore cresceu. Eles não cortaram a madeira em toras arbitrariamente retas, mas mais fracas. Eles construíram telhados em forma de arco e navios contendo madeira naturalmente curvada. flexível, então espere um século para colher a madeira com as curvas de que precisam. Podemos agora (ou em breve) ter a biotecnologia para orientar o crescimento de uma árvore por meios mais sutis do que amarrar uma muda a uma estrutura. No entanto, temos paciência?

Não tenho certeza sobre qual madeira é mais dura, mas aqui na Austrália as espécies de pau-ferro têm sido usados historicamente para postes de energia. Sua densidade e força significam que eles são altamente resistentes ao apodrecimento (menos problemático no outback) e ao ataque de cupins (mais importante). Usar aço não é uma opção tão boa, pois conduz eletricidade. Décadas atrás, as ironwoods eram mais acessíveis porque você poderia cortá-las do ambiente circundante. É claro que foram colhidas demais e, por serem árvores de crescimento muito lento, não são mais um produto de madeira sustentável. Além disso, somos melhores em postes de aço de isolamento e formando-os de concreto fundido.