Изучение зависимости модуля Юнга древесины от температуры

Для древесных пород с нерегулярным ядрообразованием (например, для берёзы) будет характерно образование неравномерно окрашенного темного ядра, границы которого не будут совпадать с циклическими годичными слоями. Если сама древесины здорова (не поражена, например, грибком), то наличие такого ядра не повлияет на свойства материала. Если же такое ядро, называемое ложным ядром, загниет, то оно заметно снизит модуль Юнга материала. Помимо приведенных, естественных пороков дерева, существует также и отдельно выделяемая группа пороков, связанных с деятельностью человека, которая носит название «дефекты обработки древесины». Экспериментальное определение модуля Юнга для древесиныОпределение модуля Юнга для древесины отличается от определение этой же характеристики для других материалов разве что тем, что большее внимание принимается влажности образца, так как влажность дерева значительно влияет на ее прочностные характеристики.Для исследования используется разрывная машина, примерная схема которой изображена на рисунке 2. Основное назначение этой машины – создавать известное с крайне малой погрешностью усилие (не более 1% относительной погрешности). Помимо этого, в экспериментальном определении модуля Юнга[7] на растяжение принимают участие тензометры – специальные устройства, способные измерять деформацию объекта. Также используются устройства, способные с высокой точностью измерять линейные расстояния (например, штангенциркуль) и, разумеется, присутствует сам образец, на котором испытания проводятся. Образец изготавливаются в форме прямоугольной призмы с определенными размерами основания и высотой. Толщина и ширина поперечного сечения образца измеряется с высокой точностью. На каждую сторону образца устанавливаются тензометры (как правило, при помощи струбцин). Образец при этом закрепляют в разрывной машине таким образом, чтобы направление растяжение совпадало с продольной геометрической осью образца. Далее включается разрывная машина и образец подвергают растяжению, записывая при этом показания тензометров. При этом усилие на растяжение плавно увеличивается до максимального и плавно же снижается до минимального. Таких циклов измерения в процессе может быть несколько. Показания тензометров записываются при каждом установившемся значении нагрузки на растяжение. Сразу после окончания испытаний, определяют влажность испытуемого образца. По результатам испытания определяется модуль Юнга образца по формуле:В этом выражении, E–модуль Юнга, p–нагрузка равная разности между верхним и нижним пределом нагружения, l–длина базы тензометра (тензометр меряет расстояние между двумя точками образца, база тензометра – это начальное значение этого расстояния в ненагруженном состоянии), a,b–размеры поперечного сечения образца, – средняя величина перемещения, которая вычисляется следующим образом:,еде –перемещение по каждому тензометра равное разности между средними арифметическими из последних отсчетов отдельно для верхнего и нижнего пределов нагружения, деленные на передаточное число соответствующего тензометра. В домашних условиях экспериментальная установка модуля Юнга для деревянного тела затруднительна. Несмотря на то, что дерево – достаточно мягкий материал, с высокой точностью воспроизвести необходимую для напряжения или сжатия образца – непростая задача. Однако, можно попробовать поступить следующим образом (для этого нам потребуется деревянный брусок, точная линейка (или штангенциркуль, или микрометр), а также маркер и набор грузов известного веса.Возьмем наш деревянный брусок и первым делом его измерим. Нас интересуют все его параметры. Его высота (H) послужит нам длиной образца, а толщина и ширина (a,b) помогут вычислить площадь поперечного сечения. После этого положим брусок на плоскую ровную поверхности и нанесем на него маркером две точки, лежащие на одной прямой, параллельной вертикальной оси бруска. При этом, отметим сразу же, что лучше всего подбирать брусок таким образом, чтобы измерять модуль Юнга не вдоль направления роста ствола, а перпендикулярно, так как модуль упругости в поперечном направлении у дерева, как уже обозначалось, заметно меньше, а значит и нагрузка будет требоваться меньше, что сильно упрощает проведение опыта в домашних условиях.Начнем затем нагружать наш брусок, устанавливая сверху грузами известного заранее веса. В нашем случае бруски будут служить нагрузкой за счет силы тяжести. После того как мы нагрузили брусок, измерим заново расстояние между двумя нанесенными точками. Если у нас получилось найти образец из достаточно мягкого дерева (например, из березы), то мы заметим, что расстояние уменьшилось (). И тогда мы можем вычислить модуль Юнга какПри этом отметим, что сразу же после проведения опыта необходимо снять нагрузку и через некоторое время заново измерить расстояние между нанесенными точками, чтобы убедиться, что оно вернулось в первоначальное состояние (в противном случае, наша деформация перешла из упругой в пластическую и применять модуль упругости будет некорректно).ЗаключениеДревесина исторически являлась одним из первых, доступных человеку материалов для производства и строительства и нет никаких оснований предполагать, что ее применение закончится в обозримом будущем. Для того, чтобы конструкции из дерева были надежными и прочными, необходимо при их разработке учитывать особенности дерева как материала. В том числе, учитывать влияние внутренней структуры древесины на ее механические характеристики, такие как модулю Юнга при растяжении и сжатии.Для того, чтобы это можно было учитывать, необходимо хорошо понимать зависимость этой величины не только от конкретной породы дерева, но и от условий в которых он находится и особенностей конкретного образца. Образец, имеющий пороки скорее всего покажет себя хуже при испытаниях чем чистый образец. Влияет на модуль упругости в существенной мере так же и температура и влажность отдельного образца. И это тоже необходимо учитывать при разработке. Так, например расчет для деревянной конструкции на крайнем севере будет значительно отличаться от расчета той же конструкции в тропическом лесу.Эти и многие другие факторы затрудняют использование древесины для строительства надежных и долговечных сооружений, однако грамотный научный подход и тщательное исследование условий эксплуатации может частично решить эти проблемы.Библиографический список Модули упругости. Большая советская энциклопедия (в 30 т.). А.М. Прохоров (гл. ред.) – 3-е изд. – Москва. Советская энциклопедия, 1974. Т. XVI.Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. Санкт-Петербург. Лань, 1999.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости, 4 ид. Москва, 1987 г.Белянкин Ф.П., Яценко В.Ф.Деформативность и сопротивляемость древесины как упруго-пластического тела. Киев. Издательство Академии Наук СССР, 1957.Коломинова М.В. Курс лекций по физике древесины. Ухта: УГТУ, 2012.Орлов А.А., Соколов В.Л. Изменение Физико-Механических Свойств Древесины Лиственницы при Гидротермической Обработке. Обзор. ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет». Красноярск, 2006.ГОСТ 16483.26-73. Древесина. Метод определения модуля упругости при растяжении вдоль волокон.