twardość drewna
Twardość drewna — Twardość drewna – jest to opór jaki stawia drewno ciałom napierającym na jego powierzchnię. Twardość drewna jest jedną z właściwości mechanicznych charakteryzujących drewno jako materiał. Jest inna dla różnych gatunków drzew oraz jest uzależniona od kilku innych czynników. Drewno dzieli się na wczesne i późne czyli rosnące wiosną oraz rosnące latem. Drewno wczesne powstaje na początku sezonu wegetacyjnego i jest dużo jaśniejsze niż drewno letnie, które przyrasta pod koniec okresu wegetacyjnego. Drewno późne ma więcej włókien drzewnych oraz posiada cewki i naczynia o mniejszej średnicy oraz grubszych ścianach. W jego komórkach transportowane jest niewiele wody w stosunku do transportu przez komórki drewna wczesnego. Przez tą niejednorodność struktury drewna obie warstwy charakteryzują się inną twardością. Ponadto twardość drewna jest też uzależniona od gęstości oraz wilgotności drewna. Gęstość drewna czyli jego ciężar jest to stosunek masy do objętości drewna i jest to wartość skorelowana z twardością. Im cięższe jest drewno tym jest ono twardsze. Sama twardość też wpływa na inną właściwość mechaniczną drewna jaką jest ścieralność. Drewna twarde są najczęściej najbardziej odporne na ścieranie czyli na zmiany zachodzące na powierzchni drewna objawiające się ubytkiem jego masy w konsekwencji tarcia. Ścieralność ma duże znaczenie przy wyborze materiałów podłogowych, kostki brukowej czy częściach maszyn i urządzeń narażonych najbardziej na tarcie.
Określanie twardości drewna
Aby określić twardość drewna i móc ją porównać pomiędzy różnymi gatunkami należy zastosować jednakową metodę. Pierwsze próby określenia metody pomiaru twardości drewna zaczęły się na początku XX wieku. Metoda miała dawać porównywalne i powtarzalne wyniki. Polegała na wbijaniu w drewno igły o określonej średnicy na jednakową głębokość wynoszącą 2 mm. Siła jaka była potrzebna do wbicia igły była wartością określającą twardość drewna. Metoda ta nie dawała jednak porównywalnych wyników ponieważ dawała nierówne wyniki ze względu na niejednorodny charakter drewna czyli występowanie drewna wczesnego i późnego.
Kolejną metodą pomiaru twardości jest metoda Janki. Tym razem igła została zastąpiona stalową kulką o średnicy 11,284 mm a metoda polega na wbijaniu jej w próbkę drewna w postaci prostopadłościanu o wymiarach 50x50x70 mm. Samo badanie wykonywane jest w specjalnej maszynie i zajmuje około dwóch minut. Odbywa się w określonej prędkości nacisku, która powinna wynosić od 320 do 480 kG/min (3,2 – 4,8 kN/min). Wykonuje się co najmniej cztery wciski na każdym z przekrojów aby pomiar był uśredniony. Otrzymany wynik wyrażany jest w mega paskalach (MPa) albo jako kilogram-siła na centymetr kwadratowy (kG/cm2). Metoda Janki jest bardzo rozpowszechniona ale posiada też swoje wady. Głównym problemem jest to, że wynik jest uzależniony od struktury i układu słojów w drewnie co ma szczególne znaczenie w przypadku drzew iglastych, których cechą charakterystyczną jest największa różnorodność budowy.
Według metody Janki wyróżniamy sześć klas twardości drewna:
I – drewno bardzo miękkie – poniżej 350 kG/cm2 lub poniżej 34,3 MPa np. limba, osika, topola, jodła, świerk, balsa, wierzba;
II – drewno miękkie – 350-500 kG/cm2 lub 34,3-49 MPa np. lipa, brzoza, sosna, modrzew;
III – drewno średnio twarde – 500-650 kG/cm2 lub 49-63,7 MPa np. sosna czarna, dąb szypułkowy, orzech, wiąz;
IV – drewno twarde – 650-1000 kG/cm2 lub 63,7-98,1 MPa np. jesion, majau, teak, jatoba;
V – drewno bardzo twarde – 1000-1500 kG/cm2 lub 98,1-147,1 MPa np. grab, cis, palisander, grochodrzew;
VI – drewno niewiarygodnie twarde – powyżej 1500 kG/cm2 lub powyżej 147,1 MPa np. heban, kokos, gwajak, quebracho.
Metodą bardziej miarodajną przy drzewach o niejednorodnej strukturze (na przykład drzewach iglastych) jest metoda Birnella. Podobnie jak w metodzie Janki polega na wciskaniu w próbkę drewna kulki o średnicy 10 mm. Próbka powinna być w wymiarach co najmniej 50x50x50 cm. Różnicą jest to, że zamiast pomiaru siły jaka jest potrzebna do jej wciśnięcia mierzy się średnicę odciśniętego wgniecenia. Po przeprowadzonym badaniu wyciąga się wgłębnik i mierzy się średnicę wgłębienia w dwóch prostopadłych kierunkach – d1 oraz d2. Odległość pomiędzy środkiem wykonywanego w badaniu wgłębienia a krawędzią próbki drewna nie powinna być mniejsza niż 20 mm. Całe badanie trwa około jednej minuty a twardość wylicza się ze wzoru:
gdzie:
- HB – oznacza twardość Brinella wyrażoną w N/mm2,
- g – wartość przyciągania ziemskiego w m/s2
- F – maksymalna przyłożona siła w N
- D – średnica wgłębnika w mm
- d – średnia wartość średnicy powstałego wgłębienia w mm
Przykładowe współczynniki twardości według Birnella: sosna – 1,6; olcha – 2,1; brzoza – 2,6; klon europejski – 3,0; dąb europejski – 3,7; buk – 3,8; jesion – 4,0. Co ciekawe przy porównaniu tych samych gatunków za pomocą metody Janki otrzymujemy nieco inną kolejność. Według metody Janki klon europejski będzie twardszy niż dąb europejski a buk twardszy niż jesion.
Metoda Birnella wyróżnia cztery klasy twardości:
I – drewno miękkie np. sosna;
II – drewno średnio twarde np. brzoza, olcha;
III – drewno twarde np. dąb, buk, teak, czereśniaIV – drewno bardzo twarde np. eukaliptus, jatoba, doussie, merbau.
Istnieje jeszcze jedna metoda, która powstała z próby połączenia dwóch wcześniej wymienionych czyli metody Janki i metody Brinella. Jest to metoda Krippela i polega ona na wciskaniu w próbkę drewna kulki metalowej o średnicy 31,831 mm na głębokość 2 mm. Twardość drewna jest obliczana ze wzoru. Metoda ta pozwala na uzyskanie bardziej precyzyjnych wyników niż w przypadku pomiarów ręcznych.
Zastosowanie drewna według twardości
Twardość drewna ma duże znaczenie użytkowe. Gatunki drzew o drewnie twardym mają większą wartość opałową. Twardość jest związana z gęstością oraz ciężarem drewna a w związku z tym, również z jego kalorycznością czyli energią wykorzystywaną do spalania. Twardość ma również znaczenie przy wyborze materiały na podłogi. Drewna miękkie nie są używane do podług, drewna średnio twarde stosowane są na przykład w sypialniach czyli w miejscach mało narażonych na ścieranie. W pomieszczeniach częściej użytkowanych, takich jak pokój dzienny czy przedpokój, stosuje się drewno twarde. Drewno bardzo twarde ma szczególne zastosowanie w pomieszczeniach przeznaczonych na użytek publiczny na przykład w sklepach lub w urzędach. Drewno stosowane do wyrobu mebli nie musi być aż tak odporne jak podłogowe ale im twardsze tym będzie trwalsze.