Care este lemnul cel mai dur posibil și unde ar fi acesta un material practic?

De ce ar folosi cineva vreodată un material „mai rău” pentru a face o anumită treabă?

Toate proiectele de inginerie urmăresc să reducă la minimum utilizarea diverselor resurse pentru a obține rezultatele dorite; se folosesc frecvent materiale „mai proaste”, deoarece costul și disponibilitatea depășesc cu mult eficiența eficienței materialului pur.

De exemplu, cablarea din cupru este utilizată în aproape toate aplicațiile electrice. De ce? Pentru că este un bun dirijor ieftin. Este cel mai bun dirijor? Nu; conductivitatea electrică a cuprului de 0,596 $ \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ este doar aproximativ 95% din argint „s de 0,63 $ \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $. Ceea ce face cuprul mai de dorit pentru mai multe aplicații, grația sa de economisire, este faptul că costă în jur de $ \ $ 2,7 / \ text {lb} $ (variind de 2-4 \ $ / lb în ultimii 5 ani) în comparație cu argintii $ \ $ 267,8 / \ text {lb} $ (variind între 200-500 \ $ / lb în ultimii 5 ani) eticheta de preț. De fapt, o serie de aplicații încearcă să convertească la cablarea din aluminiu, deoarece aluminiul are 0,337 $ \ cdot 10 ^ 6 / \ text {cm} \ Ω $ este încă destul de rezonabil pentru costul său mai mic de $ \ $ 0.85 / \ text {lb} $ (variind între 0.65-1.20 \ $ / lb în ultimii 5 ani).

Betonul și oțelul sunt, în esență, cuprurile rezistenței la compresiune și, respectiv, la rezistență la tracțiune. Sunt utilizate în majoritatea zgârie-nori și în alte proiecte mari de construcții, deoarece sunt foarte pricepuți să își facă treaba eficient la un preț rezonabil. utilizat pentru lucrări la scară mai mică în care eficiența materialului pur este mai puțin importantă decât costurile asociate cu o disponibilitate mai mare și o ușurință a construcției.

În cazul în care costul nu este factorul limitativ, pot exista și alte criterii de proiectare mai specifice. Lemnul este un dielectric (adică nemetalic) și, prin urmare, poate fi mai de dorit în aplicații în care reflexiile de radiofrecvență ar fi nedorite. În mod similar, este nemagnetic și nu se magnetizează așa cum o face un metal feros ca oțelul. Lemnul este, de asemenea, relativ ușor în comparație cu betonul și oțelul, acesta poate fi la îndemână atunci când dimensiunile fizice sunt mai puțin preocupante decât densitatea materialului.

Care este cea mai dură rasă de lemn care poate exista?

Această întrebare este puțin mai greu de răspuns direct cu cifre, dar cerul este limita dacă permiteți niveluri ultra-futuriste de modificare genetică.

Lemnul este atât de puternic în raport cu greutatea sa, deoarece este în esență un metamaterial în creștere naturală. Celulele plantei au pereți compuși din fibre de celuloză și polimeri ligninați legați (care au o rezistență mare la tracțiune și, respectiv, la compresiune) și formează o matrice de cutii repetate care permite o cantitate mare de rigiditate chiar și după o mare parte din greutatea interioară a celulelor a fost uscată. Bioingineria organismului pentru a fi mai puternic ar necesita doar proiectarea unor înlocuitori organici mai buni pentru celuloză și lignină (și / sau versiuni optimizate). Nanotuburile de carbon sau foile de grafen nu sunt complet în afara posibilității aici. În plus, proiectarea structurilor metamateriale mai eficiente este o altă modalitate de a îmbunătăți proprietățile materialelor în vrac ale lemnului. Celuloza și lignina lemnului formează o matrice de blocuri de construcție în mare parte dreptunghiulare, care este în esență o rețea simplă de cristal cubic formată din pereți celulari extracelulari. Plantele de inginerie pentru a avea o structură de susținere intra-celulară mai complexă ar putea permite ca aceste structuri să semene mai mult cu structurile de rețea cubică de diamant și să mărească rezistența cu puțin.

Comentarii

• Bineînțeles, odată ce ‘ crești copaci cu grafen / carbon, mai contează ca ” lemn „?
• Dacă aveți nanoboti care construiesc un cadru de nanostructuri de carbon, atunci aveți mai mult o nanofabrică decât un arbore ” ” așa că nu ar fi ‘ prea puțin sens să chemați materialul ” lemn „. Cu toate acestea, dacă aveți în continuare un copac care crește stivuind celulă după celulă și care folosește pur și simplu nanotuburi ca celuloză optimizată în peretele celular, atunci de ce să nu-l numiți lemn?
• Un alt exemplu bun de adăugat pentru cablare ar fi aluminiu, care este de fapt mai ușor și mai ieftin decât cuprul pentru cablare și este utilizat pentru cablarea aeriană lungă din aceste motive, dar are o serie de dezavantaje care compensează acest lucru pentru multe alte aplicații, cum ar fi cablarea casei și electronica. Iar cealaltă față a monedei este că aluminiul este o alegere bună pentru rulaje lungi de înaltă tensiune, în ciuda conductivității sale mai mici, etc. @JasonC Ultima propoziție a paragrafului de cablare menționează deja că Al este chiar mai ieftin decât Cu și este utilizat în unele aplicații. Nu ‘ nu intru în mai multe detalii, totuși, deoarece ‘ mă tem că prea multe detalii ar putea lua această întrebare despre lemn puțin prea departe de șine.
• Manipularea genetică ultra-futuristă ar putea duce, de asemenea, la o alternativă foarte interesantă de a o face astfel încât structurile din lemn să păstreze organismul în viață! Din moment ce lemnul ar fi atât de dur, ar fi greu de recoltat și prelucrat pentru utilizare, așa că în schimb arborii îmbunătățiți genetic sunt plantați la fața locului și cresc în forma dorită, poate printr-un proces care implică instrumente externe, cum ar fi iluminatul și rețelele.

Nu pentru a trece lateral întrebarea „lemnului cel mai tare”, ci în ceea ce privește aplicația … lemnele tari sunt în general folosite în locurile în care doriți rezistență, dar nu greutate. Lucruri precum mânere pentru scule, echipamente sportive (lilieci de baseball și bețe de hochei, de exemplu), mobilier și așa mai departe.

Un picior cubic de oțel este incredibil de puternic, dar este, de asemenea, incredibil de greu la 7900 kg / m ³ ). Un picior cub de lemn de esență tare este de obicei mai aproape de 50 lbs (800 kg / m ³ ).

În ceea ce privește „cel mai bun material pentru serviciu”, am avut întotdeauna o preferință pentru bețele de hochei din lemn, dar înfășurate în lemn în Kevlar ajută la uzură din … Ei bine … Hochei. Sunt „ușoare, ușor flexibile, dar totuși incredibil de puternice. Primul meu stick are mai mult de 20 de ani și este încă utilizabil în ciuda unor piese din piese mai aspre.

În ceea ce privește construcția …Desigur, oțelul și betonul sunt mai puternice și, în multe cazuri, mai durabile, dar sunt „mult mai grele și sunt, de asemenea, mult mai scumpe.

De asemenea … Cel mai dur lemn posibil depinde într-adevăr de aplicație și de dacă vorbiți despre o simplă placă sau un strat compozit.

Comentarii

Cereți lemnul cel mai dur sau cel mai puternic? Sunt două lucruri diferite.

Bubinga este cel mai tare lemn pe care îl știu, cu un modul de rupere (îndoire) de 24.410 lb $ _ \ text {f} $ / în $ ^ 2 $ (168,3 MPa), dar rezistența la strivire (compresie) este doar 10.990 lb $ _ \ text {f} $ / in $ ^ 2 $ (75,8 MPa), mai puțin de jumătate din rezistența la îndoire.

Rețineți că rezistența la zdrobire depinde foarte mult de orientarea cereale la stres, rezistența poate fi de până la zece ori mai mică atunci când stresul este perpendicular pe bob.

Comentarii

• Ați dori să adaugă două lucruri aici: 1) Poate fi posibil să folosiți ceva de genul unei presă hidraulică pentru a comprima arborele înainte de mână, făcându-l astfel mai puternic. 2) Poate fi posibil ca lemnul să fie mai puternic monitorizându-l / influențându-l pe creșterea ‘. De exemplu. ar crește mai încet pe vreme rece – astfel inele mai strânse și lemnul mai compact. De asemenea, lucruri precum îndepărtarea crenguțelor și a ramurilor ar putea afecta acest lucru – acest lucru a fost făcut anterior, de exemplu, pe copacii destinați utilizării pentru ferestre.
• Există Ipe (” Nuc brazilian ” deși nu este o nucă adevărată) cu modul de Ruputre 177 MPa și rezistență la strivire 93,8 MPa.

Lignum vitae a fost folosit în inginerie de secole. Pe lângă faptul că este dens și dur, are și proprietatea neobișnuită de a fi autolubrifiant.

Multe turbine hidroelectrice sunt încă realizat folosind lignum vitae pentru rulmenți, iar o mulțime de sisteme hidro vechi sunt încă în funcțiune cu rulmenți lignum vitae după zeci de ani. -rulmenti de temperatura la autoturisme si alte vehicule. În special, capetele tijei / tijei au fost întotdeauna făcute din lignum vitae în mașinile de dinainte de război, iar acest lucru a persistat până în anii 1960 pentru unele mărci.

Comentarii

• În treacăt: acum câteva decenii am făcut un tur al barajului Point du Bois de pe râul Winnipeg. Barajul fusese construit în 1911. Turbinele erau ax orizontale, cu lagărele de capăt din amonte făcute din Lignum vitae și lubrifiate cu picurare de apă. În 1983, ei încă foloseau rulmenții originali.
• @SherwoodBotsford Interesant – mulțumesc!

Dacă doar căutați lemnul cel mai dur, vă recomandăm să vă uitați la lemn pietrificat .

Seamănă cu lemnul în aparență, dar ar oferi o soliditate asemănătoare pietrei. Gândiți-vă să-l folosiți pentru a face stâlpi într-o clădire, ați avea un stâlp care arată ca un copac, dar care se comportă ca o piatră.

De couse, cu greu îl puteți folosi ca o grindă din cauza rezistenței sale slabe la tracțiune.

Comentarii

• De ce? Ce oferă lemnul pietrificat OP? În starea actuală, acesta este foarte puțin mai mult decât un răspuns numai pentru link, întrucât reiterează pur și simplu o parte a titlului întrebării și apoi oferă un link către un articol Wikipedia.
• @MichaelKj ö rling, mulțumesc pentru comentariu. Am extins răspunsul
• Dar lemnul pietrificat nu mai este ‘ lemn, ci ‘ este stâncă. Conform acestui criteriu, plăcile ceramice cu granulație de lemn (utilizate pentru a fi vândute sub numele de marcă ‘ Strata ‘) ar fi și mai grele.
• Lemnul pietrificat nu ‘ nu trebuie să arate ca lemnul sau să fie maro. Dețin câteva exemple care au culoarea gips-cartonului.
• Cât durează să pietrificăm lemnul? Ai putea să sculptezi o structură din lemn (grinzi, îmbinări etc.) și apoi să pietrezi întregul lucru, apoi să reasamblezi piesele de piatră? Ar oferi asta vreun avantaj față de cioplirea pietrei?

În știința materialelor există acest lucru imagine cu aceeași forță aplicată diferitelor materiale de aceleași dimensiuni.
Primul răspuns la „cum să faci să nu se spargă atât de ușor este„ dublează cantitatea de material sau pune un suport unde se aplică forța ”.

Deci, răspunsul real la întrebarea dvs. nu este unde, ci de ce și cum. De exemplu, trecerea de la navele de lemn la oțel a fost dictată de dimensiunile pe care le putea avea navele de oțel. Pe de altă parte, navele mici erau mai ieftine și mai ușoare când realizate din fibra de sticla.
La fel cu casele, dacă doriți să construiți clădiri rapide, nu sofisticate, utilizați prefabricate. Dar lemnul este mai plastic și este disponibil gratuit. Așadar, ați putea să vă desprindeți complotul și să aveți deja material la fața locului.

Comentarii

• Ați scris ” Dar lemnul este mai plastic „. Aș edita pentru a adăuga cuvântul lipsă după ‘ mai multe ‘, dar eu ‘ m nu sunt sigur ce ai de gând să spui acolo.
• @ Anon234_4521 el ‘ încearcă să spună că lemnul este mai plastic: plastic ˈplastɪk / 2. (din substanțe sau materiale) ușor de modelat sau modelat. (editat din en.oxforddictionaries.com/definition/plastic

Întrebările dvs. sunt foarte largi și nu au un răspuns clar. După cum s-a menționat în alte răspunsuri, „duritatea” nu are o singură semnificație.

Articolul Wikipedia Duritate menționează 3 „tipuri” principale de duritate, dar chiar și folosind un stil de mașină de măsurat, vor fi observate clasificări destul de diferite (și conflictuale). Un material dur, de exemplu, este destul de inutil dacă se înmoaie în ploaie sau la expunerea la lumina soarelui sau chiar pe măsură ce îmbătrânește. Desigur, puteți proteja o suprafață de soare și ploaie (într-o oarecare măsură), dar există un număr destul de mare de proprietăți pe care o substanță trebuie să le aibă pentru a fi „utilă”.

De asemenea, și dezvăluirea completă aici, nu sunt botanist și nu știu Buloke, dar Wikipedia spune că este o specie Ironwood. Același tabel care îl listează la> 5000 listează Ironwood la ~ 3000. trebuie să fie foarte critic tak aceste numere la valoarea nominală. Ironwoods, știu un pic (foarte) puțin. Una dintre proprietățile lor este conținutul ridicat de ulei. Acest lucru este bun pentru rezistența la apă (și la insecte), dar nu este deloc bun pentru vopsire sau pentru contactul cu alte suprafețe, dacă acestea sunt predispuse la colorare, deoarece (nu dacă) uleiul sângerează.

Așa cum spune răspunsul anterior , nu confunda duritatea cu puterea. Cred că pentru cel mai „dur” lemn pe care l-am putea crește / inginer ar fi că este la fel de dur ca cel mai dur biomaterial cunoscut. Cred (dar nu sunt sigur) că acesta este fie calcit, aragonit, fie materialul din care este făcut smalțul dinților noștri, hidroxilapatită. Ar fi interesant să stabilim dacă biomaterialele pe bază de silice au fost mai grele, nu m-aș surprinde. (Diatomeele și Radiolaria fac pereți de silice). Deoarece biomaterialele sunt nanocompozite și pot fi de 10 ori mai „greu” decât mineralul anorganic pe care îl derivă din, nu este cu adevărat posibil (imho) să spunem care este limita superioară pentru duritate. (Pământul diatomic este folosit ca un abraziv, deci este probabil destul de greu.)

Pentru ca un material să fie să fie util, nu numai că are nevoie de o mulțime de proprietăți pentru a se potrivi unei anumite nevoi, dar economia trebuie să fie favorabilă (ceea ce înseamnă că oferta materialului este bună și că cererea este, de asemenea, puternică).

Testul pe care l-ați menționat a fost ( probabil) proiectat (cel puțin a fost selectat) pentru a fi util cu lemnul în aplicațiile în care este utilizat lemnul. Adică probabil ar fi necesare alte măsuri înainte ca un anumit lemn să fie considerat suficient de greu pentru a funcționa în , mod atipic.

Puneți două întrebări. Răspunsul la prima este A. În ceea ce se știe acum n, editorii Wikipedia știu mai multe decât mine, B. În ceea ce este posibil, ei bine, asta e destul de deschis. Este cu siguranță posibil ca o plantă să dezvolte o piele similară cu materialele dure găsite în regatele animale (și microbiote). Găsiți cel mai greu biomaterial cunoscut de om și puteți începe de acolo. Dacă doriți să speculați, creșteți-i duritatea cu 10X.

Pentru a răspunde la a doua. Nu ne-ați oferit toate proprietățile sale. După cum am spus, oferindu-ne o singură proprietate și întrebându-vă unde ar putea fi „utilă” nu este probabil să obțineți multe răspunsuri incisive, este o întrebare mult prea largă și vagă. După cum se spune, diavolul este în detalii. Materialele dure, în general, sunt folosite pentru a proteja alte materiale de daune, sau chiar opusul, sunt utilizate pentru a deteriora alte materiale. Deci, utilizarea ca straturi de suprafață sau în abrazivi ar fi prima înclinație.

Comentarii

• Cred că acest răspuns ar fi îmbunătățit semnificativ dacă îl împărțiți în paragrafe, utilizați formatarea relevantă și o editare similară a copiilor . Comparați writer.stackexchange.com/q/26899/2533 .
• Cred că am corect spațiul dintre paragrafe, dar nu ezitați să reveniți modificarea dacă nu sunteți de acord.

Cred că „voi schimba” Cel mai greu „în” Dur și versatil „pentru că încă nu avem un caz de utilizare pentru a restrânge lucrurile. Cu toate acestea, un lemn extrem de dur și versatil din America de Nord este Osage Orange Maclura pomifera . Este cunoscut și sub numele de Arborele de gard viu. Este, de asemenea, ciuma oricui are nevoie să-l taie în propria curte.

1. Hedge Tree este destul de dur , cel mai dur din America de Nord cu o duritate Janka din 2040 când este verde și devine mai greu pe măsură ce se usucă, se pare că până la 2700. Aceasta este de aproximativ 2 ori mai mare decât cea mai tare din Oaks. Am văzut că v-a recomandat să faceți orice sculptură când lemnul este încă verde, deoarece nu veți putea când se usucă.

2. Este oarecum flexibil . Atunci când este combinat cu duritatea, devine un lemn apreciat pentru producătorii de arcuri. Nativii americani ar călători un drum destul de lung pentru a recolta membrele dintr-un Osage Orange pentru arcuri.

3. Este foarte rezistent la putrezire . Este utilizat frecvent pentru stâlpi de gard, deoarece va rezista sub grad (în pământ) pentru o lungă perioadă lungă de timp. Nu obține mucegai sau mucegaiuri adânc în pădure. Bug-urile par să evite și lemnul. Fructul este adesea folosit ca un insectifug natural.

4. Este „s dens . Acest lemn va mânca drujbe. I Știu asta din faptul că a trebuit să tai unul în curtea mea. Avea aproximativ 12 ani și a fost nevoie de 3 lanțuri pentru ferăstrău pentru a trece. Acordat, am un drujbă ieftin, dar totuși. De altfel, încă mai am o parte imensă a portbagajului care este greu ca naiba și vreau să fac ceva cu el, dar încă nu știu ce.

5. arde fierbinte ! Atunci când este folosit ca lemne de foc, va scoate de două ori consumul în BTU decât majoritatea soiurilor de stejar. Pare foarte mult, deci nu este bun într-un șemineu deschis, dar într-o sobă de lemn sigilată am reușit să-mi țin casa la aproximativ 80 grade f în timpul unei furtuni de zăpadă în care exteriorul era de 12 f.

6. Acesta crește într-o varietate de climă și soluri . A fost folosit în Midwest pentru a crea paravente și pentru a ajuta la eroziunea solului în timpul bolului de praf.

Deci pentru ceea ce este posibil lemnul natural cel mai dur și mai versatil care există, Osage Orange Maclura pomifera este prietenul tău. De asemenea, ar fi o bază bună pentru orice fel de maimuță din jurul tău ar putea dori să facă cu genele sale.

Pe măsură ce ne referim la Worldbuilding, Se presupune o oarecare dezvoltare în ingineria genetică și dezvoltarea proteinelor pentru a cataliza asamblarea atomilor de carbon în structuri regulate.

Atunci este de conceput că arborele nostru modificat ar putea construi o formă cristalină tetraedrică stabilă de carbon, cel puțin la scară celulară – poate ca pereți celulari sau coloană vertebrală internă. Deoarece este încă un copac, aceste structuri mici ar fi probabil încorporate într-o matrice de celuloză, care poate avea propriile puncte slabe.

Cu toate acestea, duritatea lor finală ar fi cea a formei lor cristaline – diamant.

Stejarul viu sudic Quercus virginiana are o duritate Janka de 2.680 lbf (12.920 N) vezi http://www.wood-database.com/live-oak/ Nu la fel de „puternic” ca și alte specii, dar din punct de vedere istoric a fost o componentă foarte importantă a construcției navelor americane, deoarece membrele lungi și curbate ale lemnului puteau fi transformate în coaste și alte cherestele structurale fără a fi nevoie să fie sculptate. Acest lucru a dat o mare putere corpului. Old Ironsides a fost un exemplu al acestui tip de construcție. Stejarul viu a fost arma secretă a construcției de nave americane. Așadar, o parte din întrebarea privind duritatea rezistenței are legătură cu forma anticipată.

Molidul aeronavei are una dintre cele mai mari rezistențe: raporturile de greutate ale oricărui material natural – un exemplu oarecum diferit, dar și demn de remarcat.

Răspuns suplimentar. Lemnul este fabricat din fibre de celuloză. Cât de puternică este celuloza?

Foarte puternic. Sunt multe detalii aici: https://www.extremetech.com/extreme/134910-nanocellulose-a-cheap-conductive-stronger-than-kevlar-wonder-material-made-from-wood-pulp . Citat: „ușor, flexibil, mai puternic decât oțelul, mai rigid decât Kevlar „… Este, desigur, produs de un copac într-o structură perfecționată de evoluție (pe termen lung) și mediu (în timpul vieții copacului) pentru a fi cel mai bine folositor copacului. Trebuie să facem un pic de muncă pentru a o re-forma în nanoceluloză, mai degrabă decât să o tăiem în grinzi.

Lemnul conține, de asemenea, un adeziv natural numit lignină care leagă fibrele de celuloză între ele. Așa cum celuloza este cel puțin la fel de puternică ca cele mai bune materiale plastice, lignina este cel puțin la fel de bună ca și cele mai bune lipici și rășini. Până de curând, era o ordine de mărime mai bună, dar chimiștii noștri au ajuns din urmă și acum putem lipi lemnul pe lemn la fel de puternic ca și cum arborele ar fi crescut lemnul în forma dorită (*). Intră în Glulam. (Denumire oribilă: o contracție de laminat lipit, cred). Oricum, Google „glulam” și veți descoperi că oamenii construiesc acum zgârie-nori mici din lemn și planifică altele mai mari.La urma urmei, este o greutate la greutate la fel de puternică ca oțelul (și contra-intuitiv, mai rezistent la foc!) Glulam nu este același lucru cu cherestea simplă, așa că arhitecții încă își simt calea , și creând experiență și încredere cu structuri mai mici.

Aceasta este construirea lumii, astfel încât aceste referințe vă spun ce este posibil (folosind celuloză). Putem fi capabili să reprogramăm copacii pentru a crește lemnul mai potrivit pentru propriile nevoi, folosind ingineria genetică. Sau pe o planetă cu gravitație mai mare, evoluția poate să fi făcut la fel (altfel, nu există copaci pe acea planetă). Și este chiar posibil să existe un bio-polimer mai bun decât celuloza.

(*) Apropo, constructorii medievali au folosit formele pe care arborele le-a crescut. Nu au spart lemnul în cherestea arbitrar, dreaptă, dar mai slabă. Au construit acoperișuri asemănătoare arcurilor și nave care conțin cherestea curbată în mod natural. Ocazional, chiar aruncau un pic cu forma în care arborele crește în timp ce era mic și flexibil, apoi așteptați un secol pentru a culege cherestea cu curbele de care aveau nevoie. S-ar putea să avem acum (sau în curând) biotehnologia care să conducă creșterea unui copac prin mijloace mai subtile decât legarea unui puieț la un cadru. Cu toate acestea, avem răbdare?

Deci, nu sunt sigur despre ce lemn este cel mai dur, dar aici, în Australia, speciile de lemn de fier au fost folosite istoric pentru poli de putere. Densitatea și rezistența lor înseamnă că sunt extrem de rezistente la putrezire (mai puțin problematică în exterior) și la atacul de termite (mai important). Utilizarea oțelului nu este o opțiune atât de bună, deoarece conduce electricitatea. Cu zeci de ani în urmă, lemnele de fier erau mai accesibile, deoarece le puteai tăia din mediul înconjurător. Desigur, au fost recoltați excesiv și a fi un copac cu creștere foarte lentă nu mai sunt un produs durabil din lemn. De asemenea, „mai bine izolăm stâlpii de oțel și îi formăm din beton turnat.