Univerza v Ljubljani Pedagoška fakulteta

Mehanske lastnosti lesa - tlačna trdnost lesa

Sonja Lahajner

Seminarska naloga pri predmetu Didaktika tehnike s seminarjem I

Mentor: dr. Janez Jamšek, doc.

Ljubljana, 2008

Povzetek Namen te seminarske naloge je izvesti preskus tlačne trdnosti lesa. Ciljna publika je učitelj in učenec pri pouku tehnike in tehnologije v šestem razredu osnovne šole. Najprej so opisane splošne značilnosti lesa, nato pa nekaj konkretnih značilnosti tlačne trdnosti lesa. Podan je tudi opis za izvedbo preskusa, zadani kriteriji in meritve. Na koncu so tudi opombe na kaj naj bo učitelj pozoren pri preskusu.

Kazalo 1. Uvod....................................................................................................................................... 3 2. Navezava na učni načrt.......................................................... Error! Bookmark not defined. 3. Pregled obstoječega gradiva.................................................. Error! Bookmark not defined. 4. Les............................................................................................ Error! Bookmark not defined.

4.1. Bukev, smreka in balsa.................................................................................................... 5 4.2 Mehanske lastnosti lesa.................................................................................................... 5 4.3. Trdnost lesa ..................................................................................................................... 5 4.3.1 Trdnost v odvisnosti glede na lego vlaken .................................................................... 5 4.3.2 Trdnost v odvisnosti od vlage ....................................................................................... 6 4.3.3 Lezenje .......................................................................................................................... 6 4.4 Tlačna trdnost lesa............................................................................................................ 6 4.4.1 Napetosti in deformacije ............................................................................................... 7 4.5 Merjenje ........................................................................................................................... 9 4.5.1 Preskušanje tlačne trdnosti s pomočjo univerzalnega preskuševalnega stroja.............. 9 4.5.2 Preskušanje tlačne trdnosti s pomočjo primeža........................................................... 10 4.6 Tlačna trdnost pri pouku Tehnike in tehnologije ........................................................... 10

5. Preskus tlačne trdnosti........................................................... Error! Bookmark not defined. 5.1. Določitev kriterijev preskusa ........................................................................................ 10 5.2. Zasnova modela............................................................................................................. 11 5.3. Preskusni vzorci ............................................................................................................ 11 5.4 Meritve ........................................................................................................................... 11 5.4.1 Obremenjevanje vzorca pri obtežbi 5,5 kg.................................................................. 11 5.4.2 Obremenjevanje vzorca pri obtežbi 33 kg................................................................... 12 5.4.3 Obremenjevanje vzorca pri obtežbi 42 kg................................................................... 14 5.4.4 Komentar meritev........................................................................................................ 15

6. Preskus tlačne trdnosti pri pouku........................................ Error! Bookmark not defined. 7. Sklep: ................................................................................................................................... 16 8. Literatura:........................................................................................................................... 17 9. Priloge...................................................................................... Error! Bookmark not defined.

9.1 Učni list .......................................................................................................................... 18 9.1.1 Rešeni učni list ............................................................................................................ 18 9.1.2 Nerešeni učni list ......................................................................................................... 19

3

1. Uvod V seminarski nalogi je predstavljena ena izmed mnogih lastnosti, ki jo ima les, to je tlačna trdnost. Ta seminar je namenjen učiteljem tehnike v osnovnih šolah. Že v začetku seminarja je opažena vezava na učni načrt, tako da lahko učitelj kmalu umesti vsebino seminarja v pouk. Učenci spoznavajo les in njegove lastnosti v šestem razredu osnovne šole. Da lahko dosežemo čim večje efektivno znanje učencev se poslužujemo demonstracije. Poskus, kakršnega lahko učitelj izvede v razredu v osnovni šoli, mora biti dovolj jasen in enostaven. V praksi lahko najdemo več načinov preskušanja mehanskih lastnosti lesa. Vendar so pogosto ti zelo strokovni in zato tudi neprimerni za predstavitev pri pouku. V tej seminarski nalogi je najprej opisanih nekaj splošnih značilnosti lesa in njegovi tlačni trdnosti ter dejavniki, ki najbolj vplivajo na to lastnost lesa. Na koncu je predstavljen tudi preskus, katerega lahko učitelj uporabi v osnovni šoli. Podani so tudi rezultati preskusa, kateri so nanizani v preglednicah in grafih. 2. Navezava na učni načrt V šestem razredu devetletne osnovne šole se učenci pri pouku Tehnike in tehnologije srečajo z lesnim gradivom [1].Učenci se spoznavajo z vrstami lesa, pogledajo si njegovo zgradbo in njegove lastnosti. Učitelj opredeli posamezne lastnosti lesa, med drugim tudi mehanske lastnosti lesa. Sem uvrščamo trdnost, trdota, prožnost, žilavost in cepljivost. Pri trdnosti lesa se učenci srečajo s trdnostjo na tlak, natezno in upogibno trdnostjo. V seminarski nalogi je opisana tlačno trdnost. Učenec mora osvojiti znanje o tlačni trdnosti in pa to lastnost povezati tudi z drugimi lastnostmi lesa, kot so natezna in upogibna trdnost. Učenec mora pri tej trdnosti osvojiti dejstvo, da deluje sila na telo. Sila pa lahko deluje na telo pravokotno ali pa vzporedno glede na vlakna. Seveda pa je trdnost veliko večja, če je deluje tlak v smeri vlaken. 3. Pregled obstoječega gradiva V praksi in na trgu se pojavlja veliko načinov določanja MLLTT (mehanske lastnosti lesa – tlačna trdnost). Z uporabo lesa se je moral uvesti nek način, kako določiti lastnosti lesa tako fizikalne, mehanske kot tudi fizikalno-kemijske lastnosti. Mehanske lastnosti lesa so: trdota, trdnost, cepljivost, prožnost in žilavost. Izrazito so odvisne od obravnavane smeri, fizikalnih lastnosti, kakovosti in nepravilnosti v strukturi. Mehanske lastnosti lesa ugotavljamo s standardiziranimi in nestandardiziranimi preiskavami. Definicija tlačne trdnosti pravi, da je to odpor lesa proti tlačnim obremenitvam. Začetke uvajanja razvrščanja lesa po trdnosti lahko najdemo v 60. letih prejšnjega stoletja, večji razmah tovrstnega razvrščanja pa je nastal v 70. in 80. letih. V 90. letih prejšnjega stoletja. Takrat so začeli z uvajanjem drugih nedestruktivnih metod, kot so meritve dinamičnega modula elastičnosti z ultrazvokom oz. udarnimi metodami, meritve z rentgenskimi napravami in drugo. Nekatere izmed teh novih metod so uspešno uporabljene v novejših komercialnih strojih za razvrščanje lesa. Danes so na voljo tako večji avtomatizirani stroji za razvrščanje kot tudi manjše priročne naprave [2].V učbeniku TIT za učence za 6. razred osnovne šole najdemo poenostavljen primer preskušanja s primežem tako, da vstavimo kos lesa in z vretenom naredimo obrat [3]. O lesu in njegovih lastnostih je najbolj obširno opisano v [3-7], največ podrobnosti o mehanskih lastnosti lesa najdemo v [8-11]. Največ podatkov o tlačni trdnosti najdemo v [12,13]. O preskušanju si lahko pogledamo [14], poleg tega pa lahko na to tematiko na spletu najdemo nekaj strani [2,15-18]. Formalno dobljene rezultate preskusov najdemo [13,18]. 4. Les Les je naravno organsko gradivo. Tvorijo ga olesenele rastlinske celice. Človek uporablja in obdeluje les že od najstarejših časov. Tudi danes, ko imamo na voljo kovine in plastične mase, znamo ceniti slikovit in topel videz lesa: gradimo lesene hiše, izdelujemo leseno pohištvo, les uporabljamo za ostrešja in mostove, za ladje in jadralna letala, za podpornike v rudnikih, za telovadno orodje in igrače, iz lesa dobimo lesovino in celulozo za papir, mnogo lesa pa še vedno pokurimo. Zaradi tako vsestranske uporabnosti moramo letno posekati okoli 20 milijonov m 3 lesa. Ob tem seveda ne smemo pozabiti, kako velik vpliv ima gozd na okolje. Vedeti moramo, kje smemo izsekovati in koliko, kako bomo izsekane površine vnovič pogozdili. Uporaba in predelava lesa imata v naši državi še poseben pomen, saj je tretjina vseh njenih površin pokrita z gozdovi [5]. Les je naravni material, ki ga ni mogoče umetno izdelovati. Ločimo veliko število različnih vrst lesa, ki se med seboj razlikujejo po

4

trdnosti, trdoti, videzu kot tudi po specifični teži. Kvalitetnejše in dražje vrste lesa uporabljamo za pohištvo, cenejše pa kot gradbeni les ali gradivo za kemično industrijo, kjer iz njega pridobivamo celulozo, umetne snovi, barve, lake in še vrsto drugih izdelkov. Les razvrstimo v les iglavcev in listavcev. Nadalje se les deli na neobdelan in obdelan les, na les za kurjavo in tehnični les ter na masivni les in lesne polizdelke [3].

4.1. Bukev, smreka in balsa Trdnost lesa je odvisna od botanične vrste, strukture lesa, prostorninske teže, od vrste obremenitev (nateg, tlak, strig)… Za zelo trden les velja hrast, bukev, jesen, brest. Za manj trden les pa velja jelka, smreka, bor, balsa [13]. Za preskušanje smo uporabili tri vrste lesa; bukev, smreko in balso. Zato na začetku nekaj splošnih značilnostih o teh vrstah lesa. BUKEV. Les bukve ima odtenke od bledo rumenkaste barve pa vse do rdečkasto rjave. Pri sušenju rad poka, sicer pa je to trden in žilav proti obrabi odporen les. Uporabljamo ga za furnirje vseh vrst, za vezan les, pohištvo, talne obloge, igrače, drobna galanterija…[7]. SMREKA. Je svetlo rumenkaste barve. Je mehak, do srednje trd les in razmeroma lahek. Dobro se suši, krči se malo. Uporabljamo ga za mizarska in gradbeno- mizarska dela, luščene furnirje, proizvodnjo papirja….[6]. BALSA. Je doma v tropskih predelih Južne Amerike in je izredno lahek, mehak in porozen les. Njegova vlakna so navidez gobasta, homogena, zelo krhka in mehka, vendar jih je zelo lahko oblikovati in lepiti. Lahko ga rezbarimo z ostrimi orodji. Poleg tega, je balsovina najlažji les in ni trden. Uporabljamo ga za modelarstvo in maketarstvo [3].

4.2 Mehanske lastnosti lesa Mehanske lastnosti lesa upoštevamo, kadar delujejo zunanje mehanske sile. Te sile les deformirajo. Velikost deformacij pa je odvisna od lastnosti lesa in oblike odpora, ki ga daje les. Mehanske lastnosti lesa so: trdota, trdnost, cepljivost, prožnost in žilavost [11].

4.3. Trdnost lesa

Zunanje sile, ki delujejo na trdno telo, povzročajo v notranjosti telesa notranje sile. Če so te sile večje od sil med molekulami, se telo poruši (poči, se lomi, raztrga), če pa so manjše, pride do napetosti v gradivu. Zaradi zunanjih sil se torej v telesu pojavijo napetosti. Napetosti so lahko normalne in tangencialne. Normalne napetosti nastanejo pod vplivom sile, ki je pravokotna na opazovani prerez. Mednje štejemo npr. natezno, tlačno in upogibno napetost [10]. Trdnostne lastnosti lesa ugotavljamo na vzorcih lesa. Na trdnostne lastnosti lesa vpliva [2] :

• gostota, • smer obremenjevanja, • potek vlaken, • vlažnost, • temperatura, • anomalna rast (grče, razpoke…).

Trdnost se določa s standardnimi preiskavami do porušitve pod določenimi pogoji.

4.3.1 Trdnost v odvisnosti glede na lego vlaken Trdnost lesa je razen od parametrov kot so: botanična vrsta lesa, struktura lesa, prostorninska teža oziroma poroznost, količina in vrsta napak, vlažnost, postopek obdelave in shranjevanje bistveno odvisna od vrste obremenitve (tlak, nateg strig). Trdnost pa je tudi pri istem tipu obremenitve zelo različna v različnih smereh (vzporedno z vlakni, pravokotno na vlakna ali pa pod nekim poljubnim kotom glede na smer vlaken). Pri tlačni trdnosti velja, da je normalna napetost, ki deluje vzporedno na vlakna največja, sledi ji napetost pod kotom, najmanjšo trdnost pa ima normalna napetost, ki deluje pravokotno na vlakna [12]. Kot primer, kako se lahko različne trdnosti pravokotno na vlakna in vzporedno na vlakna kompenzirajo, lahko navedemo z furnirano ploščo, slika 4.1. Ta je sestavljena iz več tankih plasti lesa, pri čemer so vlakna vsake

5

ploskve različno orientirana. Zaradi tega bo pri obremenitvi trdnost vmes med trdnostjo pravokotno in paralelno na vlakna. Vpliv anizotropije1 bo tako manjši.

Slika 4.1: Struktura furnirne plošče [12].

4.3.2 Trdnost v odvisnosti od vlage Na spodnjem grafu je prikazana odvisnost tlačne trdnosti od vlažnosti lesa, slika 4.2. Opazimo lahko, da ob zmanjšani vlažnosti se tlačna trdnost povečuje. Pri vlažnosti (približno 30 % in več) je trdnost konstantna. Pri vlažnosti pod 30% pa se v lesu zmanjšuje količina vezane vode, ki na trdnost vpliva tako, da trdnost narašča. Tako lahko sklepamo, da za uporabo moramo les sušiti. Bolj je les suh, večja je njegova trdnost.

Slika 4.2: Odvisnost tlačne trdnosti od vlažnosti lesa [12].

4.3.3 Lezenje Lezenje lesa je povečevanje deformacije pri stalni obtežbi. Je zelo odvisno od vlažnosti lesa. Značilno je pri dolgotrajnih obremenitvah.

4.4 Tlačna trdnost lesa Pogosto se srečujemo s tlačno trdnostjo, to je z odporom lesa proti tlačnim obremenitvam pri nosilnih stebrih, železniških pragovih, stebrih, nogah pri stolih in mizah. Pri tem ločimo trdnost lesa v smeri vzporedno z vlakni in

1 Anizotropija= pojav, da ima snov v različnih smereh različne fizikalne lastnosti; pravokotno in vzporedno glede na vlakna

6

trdnost pravokotno na vlakna [10]. Definicija tlačne trdnosti pravi, da je to odpor lesa proti tlačnim obremenitvam. Dejstvo je, da je tlačna trdnost v smeri vlaken bistveno večja trdnosti prečno na vlakna. Skozi čas so se uveljavljali različni načini preskušanja tlačne trdnosti. V seminarski nalogi bom opisala dva načine preskušanja tlačne trdnosti; preskus z univerzalnim preskuševalnim strojem in preskus s primežem. Pri preskušanju sem se posluževala preskusa s podajanjem obremenitev na vzorce lesa, ker menim, da je najbolj cenen in možen za izvedbo v osnovni šoli.

Slika 4.3: Delovanje sil pravokotno in vzporedno glede na vlakna [8].

4.4.1 Napetosti in deformacije

Ko obremenjujemo les z zunanjo silo se njegova oblika spreminja. Če lesen vzorec obtežimo z utežjo se v notranjosti predmeta pojavijo napetosti. Zaradi tako delujoče sile se vzorec skrči. Napetost v Pa določimo po enačbi[17]:

,AF

=σ (4.1)

kjer pomenijo −σ tlačna napetost, porušna sila v N in −F −A obremenjena površina v mm2. Zaradi tlaka na vzorec se le-ta skrči. Deformacijo oziroma skrček določimo po enačbi [17]:

,0

lll −

=ε (4.2)

kjer pomenijo −ε specifična deformacija, skrček −0l začetna dolžina v mm, −l dolžina po določeni napetosti v mm. Napetosti in deformacije med meritvijo določamo večkrat, na osnovi dobljenih podatkov pa izrišemo

εσ − diagram. Materiali se najprej deformirajo elastično, kar pomeni da je deformacija po razbremenitvi enaka nič. Kasneje se deformirajo plastično. Takšne deformacije so trajne in ostanejo tudi, ko material razbremenimo [17]. Eksperimentalno dobljene zveze med napetostmi in deformacijami pri lesu se zaradi njegove anizotropije zelo razlikujejo glede na tip obremenitve (tlak, nateg) in glede na smer delovanja napetosti in so praktično vedno nelinearne med seboj. Eksperimentalno dobljeni konstitutivni zakoni 2 lesa pri vseh tipih obremenitve in smereh delovanja napetosti kažejo do nekega nivoja napetosti na linearno elastično obnašanje lesa. Zato lahko za praktičen račun lesenih

2 Zveza med napetostjo in deformacijo

7

konstrukcij, kjer so nivoji napetosti precej nižji od polovice trdnosti, uporabimo kar linearen konstitutivni zakon (Hookov zakon v primeru napetosti) [13]:

,Eσε = (4.3)

kjer pomenijo −E modul elastičnosti v Pa, −σ napetost v Pa, in −ε specifična deformacija, skrček. Glede na smer delovanja napetosti so v naslednji preglednici 4.1, podane orientacijske vrednosti tlačne trdnosti lesa. Slika 4.4 pa nam prikazuje obnašanje lesa v odvisnosti ( )εσ glede pravokotno in prečno na vlakna.

Preglednica 4.1: Orientacijske vrednosti tlačne trdnosti lesa pri smereh delovanja napetosti [13].

VRSTA NAPETOSTI, TLAK

VRSTE LESA Vzporedno na vlakna

1/kN/cm 2Pravokotno na vlakna

1/kN/cm 2

Jelka, smreka, bor 3.0-4.5 0.6

Topol, vrba, breza, lipa 2.5-3.5 0.9

Hrast,bukev,jesen, hrast 5.0-7.0 1.3

Trdi eksotičen les / /

Slika 4.4: Odvisnost specifičnih deformacij lesa od osne obremenitve v smeri vlaken (a) – spodnja krivulja in od tlačne obremenitve prečno na vlakna (b) [12].

8

4.5 Merjenje

4.5.1 Preskušanje tlačne trdnosti s pomočjo univerzalnega preskuševalnega stroja Sila na univerzalnem preizkušancu pritiska na preizkušancu, kot je prikazuje slika 4.5. Pri tlačnem preskusu se preizkušancu najprej deformira elastično in nato plastično do zloma. Narišemo lahko diagram sila – deformacija. Takoj, ko opazimo prve razpoke na tlačnem preizkušancu, razberemo silo F, s katero izračunamo tlačno trdnost [14].

Slika 4.5. Univerzalni preizkuševalni stroj med tlačnim preskusom [14]. Za merjenje trdnostnih in deformacijskih lastnosti materialov se lahko uporablja računalniško krmiljen univerzalni trgalni stroj Zwick/Roell Z050. Na njem lahko izvajajo natezne, tlačne, upogibne in strižne preizkuse v skladu z različnimi standardi. Za natezne preizkuse pri različnih temperaturah imajo na razpolago temperaturno komoro. Rezultati meritev so zelo natančni, saj imamo na voljo kvalitetne ekstenziometre za merjenje premikov. V vseh primerih lahko izrišejo diagram poteka preizkusa kot tudi vrednosti različnih mehanskih lastnosti materialov [16]. Za določanje tlačnih mehanskih lastnosti materialov imamo na razpolago posebna orodja, s katerimi lahko tlačno obremenimo preizkušanec do 10 kN. Posebni ekstenziometri nam omogočajo natančno merjenje vzdolžnih premikov in deformacij. Pri teh preizkusih se običajno uporabljajo valjasti preizkušanci [16].

Slika 4.6 Posebna orodja za določanje tlačnih mehanskih lastnosti materialov [16]

9

4.5.2 Preskušanje tlačne trdnosti s pomočjo primeža Tlačno trdnost lahko preverimo s poskusom s primežem, slika 4.7. V primež vstavimo kos lesa in z vretenom naredimo dva obrata. Tako kos lesa obremenimo na tlak. Pri tem opazujemo za koliko se bo debelina zmanjšala [3].

Slika 4.7: Preskušanje tlačne trdnosti lesa glede vzporedno in pravokotno na vlakna s pomočjo primeža [9].

4.6 Tlačna trdnost pri pouku Tehnike in tehnologije Definicija tlačne trdnosti se pojavi le v enem učbeniku za Tehniko in tehnologijo. Tlačna trdnost je odpor lesa proti stiskanju (tlačni obremenitvi). Tlačno trdnost lahko enostavno preverjamo s poskusom s pomočjo primeža, tako kot je opisan v 4.5.2 [3]. V ostalih učbenikih [4, 5] definicija tlačne trdnosti ni podana. Prav tako ni podan primer kako se preizkuša tlačno trdnost. Pogledala sem tudi novejši učbenik za Tehniko in tehnologijo 6, kateri ni naveden pod literaturo in tudi tam ni bila podana definicija niti način preskušanja. Preskus pri pouku bi lahko izvedli kakor je opisan v poglavju 5 in sicer s pomočjo obtežbe na majhne koščke lesa. 5. Preskus tlačne trdnosti Preskus je zasnovan na podlagi 4.5.1, s to razliko, da se bo preizkušanec obremenjeval z uporabo veliko manjših različnih obremenitev. Ker bi za ta preskus potrebovala zelo težke uteži (okoli 50 kg in več) in ker jih sama morda ne bi mogla niti vzdigniti sem se odločila, da bom prosila sošolce da bodo stopili na vzorce (kocke) lesa. Menim, da je ta najbolj enostaven, nazoren poceni ter najbolj možen za prikaz v osnovni šoli. Za ta način preskusa sem se odločila, ker mora izpolnjevati naslednje kriterije.

5.1. Določitev kriterijev preskusa Preskus mora biti dovolj natančen. Jasno mora prikazati razliko v preskušanju lesa (balsa, smreka in bukev). Pod enakimi pogoji moramo priti do istih rezultatov. Prav tako morajo biti rezultati primerljivi z rezultati splošno znanih rezultatov, ki jih najdemo v priročnikih. Vsi tehnološki postopki morajo biti omejeni na tipične delavnice, kakršne lahko najdemo po osnovnih šolah. Biti mora čim cenejši in gradivo (les), ki ga potrebujemo pri preizkusu mora biti splošno dostopen. Preizkušanci morajo biti ustreznih dimenzij, v približni dimenziji A4 formata.

10

5.2. Zasnova modela Med kockama lesa damo dve jekleni plošči. Jeklo si izberemo zato, ker je zelo trd material in s tem onemogočimo vpliv drugih dejavnikov na preizkus, kot naprimer vtiskovanje lesa v jekleno ploščo. Plošči sta velikosti A4 formata, z namenom da lahko stopimo na ploščo in se le-ta ne prevrača. Med ploščama dajemo kocke različnih dimenzij z namenom, da opazimo, da pri manjših kockah pride do večjih deformacij.

5.3. Preskusni vzorci Iz podatkov, ki jih najdemo v stroki lahko opazimo, da sta smreka in balsa dve botanični vrsti lesa, ki veljata za manj trdna, posebno pa še balsa. Ker pravih podatkov o balsi nisem našla, saj se je na splošno ne uporablja ne v mizarstvu ne v gradbeništvu, vendar le bolj za maketarstvo in modelarstvo, sem se odločila, da sama preverim tlačno trdnost tega lesa. Za smreko sem se odločila zato, ker velja za manj trden les, v praksi se ga veliko uporablja in je zelo dostopen. V preglednici 4.1. lahko vidimo, da do razpok lesa pri smreki (pravokotno glede na vlakna) na 1 cm potrebujemo 60 kg. Torej bomo lahko pri manjših obtežbah dobili deformacije (skrčke). Kot nasprotje teh dveh vrst lesa velja bukev. V preglednici 4.1, lahko vidimo da je le-ta trden les. Veliko se ga uporablja v praksi in je tudi zelo dostopen.

2

S pomočjo vibracijske žage sem nažagala kocke lesa balse, smreke in bukve v treh različnih velikostih,

, in ( ) 3101010 mm×× ( ) 3202020 mm×× ( ) 3252525 mm×× . Ker se tlačana trdnost razlikuje glede vzporedno in glede pravokotno na vlakna, bom z različnimi obtežbami obremenjevala kocke lesa in sicer najprej pravokotno na vlakna in nato še vzporedno glede na vlakna. Izbrala sem si 10 kg utež in ker menim da potrebujemo poleg te uteži še veliko težje sem se odločila, da za pomoč poprosim sošolce. Vzorce bom pokrila z jekleno ploščo in najprej obtežila z 10 kg utežjo. Nato bo na jekleno ploščo stopila sošolka (65 kg) in nato še sošolec (82 kg). Ker na tlačno trdnost vpliva tudi vlaga sem si za bolj natančne rezultate izbrala suh les, brez grud. Po nekaj sekundah obremenjevanja bom izmerila skrček lesa. Dobiti želimo graf )(εσ .

5.4 Meritve

Pri meritvah upoštevamo različne obremenitve, različne velikosti vzorcev, obremenjevanje vzorcev pravokotno in vzporedno glede na vlakna in trajanje obremenitev. Pri mojem preskušanju bo težko izvesti porušitev (v tem primeru razpoko v lesu), zato bomo ob obtežbah merili skrček (ε) na predmet, s pomočjo kljunastega merila. Sila in površina vzorca sta znana. Ko izračunamo napetost po formuli 4.1, jih lahko nanizamo na navpično os grafa, skrčke pa nanizamo na vodoravno os. Narišemo dva grafa. Prvi bo prikazoval obremenjevanje glede pravokotno na vlakna, drugi pa obremenjevanje glede vzporedno na vlakna.

5.4.1 Obremenjevanje vzorca pri obtežbi 5,5 kg Imela sem 10 kg utež. Da preprečimo, da bi se utež prevrnila, sem pod jeklo dala dve kocki. Torej moram upoštevati, da je obtežba na posamezno kocko približno enaka 5 kg. Skrček, ki pa ga dobimo na posamezni kocki pa moram množiti z dve, ker imamo dve kocki. Upoštevati moramo težo jekla, ki je bil na kocki: 990 g. Torej: 10 kg + 0,99 kg = 10,99 kg 11 kg. Zaradi dveh kock, se je teža porazdelila, torej velja na kocko

. Dimenzije kock: S1=(10 = , S2=(20 = in S3= (25 = . Torej imamo tri dimenzije kock in F=55 N. Napetost izračunamo po enačbi (4.1).

Izračunane napetosti so: ,255,0mm

N=1σ 22 1375,0

mmN

=σ , in 23σ 088,0mm

N= .

11

Preglednica 5.1: Skrčki pri različnih vrstah lesa, različnih legah vlaken, dimenzijah kock in različnih napetosti.

BUKEV SMREKA BALSA

Skrčki glede na smer obremenjevanja v mm

Kocka

σ /

Vzporedno

Pravokotno

Vzporedno

Pravokotno

Vzporedno

Pravokotno

S1 0,55 0 0 0 0,02 0 0,14 S2 0,1375 0 0 0 0 0 0,1 S3 0,088 0 0 0 0 0 0,06

Iz zgornje preglednice opazimo, da skrčkov pri vzporedni obtežbi glede na vlakna ni bilo. Pri obtežbi pravokotno na vlakna pa je do skrčkov prišlo, zato lahko s pomočjo podatkov iz preglednice narišemo graf. Vzamemo podatke za smreko in balso, za obremenjevanje glede pravokotno na vlakna. Skrčke nanizamo na os x. Na os y nanizamo napetosti, ki smo jih predhodno izračunali po enačbi 4.1 in so tudi podani v tabeli.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

ε/ mm

σ/ N

/mm

^2

Slika 5.1: Graf odvisnosti )(εσ pri pravokotni obremenitvi na vlakna pri obtežbi 5,5kg. Polna črta – smreka in črtkana – balsa. Pri bukvi ni bilo skrčkov. Iz grafa lahko opazimo linearno naraščanje pri smreki in balsi od vrednosti 0=ε mm do 06,0=ε mm ter od

1,0=ε mm naprej. Vmes je verjetno prišlo do napak pri merjenju ali pa je bilo število meritev premalo. Če pogledamo graf (b) na sliki 4.4 vidimo, da vrednosti za deformacijo linearno naraščajo do razpok v lesu. Naša obtežba je bila majhna, zato lahko pričakujemo le deformacije, ki se morajo linearno povečevati, zaradi povečevanja napetosti. Razpok ne moremo pričakovati. Graf balse je veliko bolj položen, ker je les manj trden od smreke in zato prihaja do večjih skrčkov.

5.4.2 Obremenjevanje vzorca pri obtežbi 33 kg Upoštevati moramo težo jekla, ki je bil na kocki: 990 g Torej: 65 kg . Imeli smo dve kocki, zato se je teža porazdelila. Torej velja na kocko . Dimenzije kock so iste kot pri 5.4.1. Velja F=330N. Napetost izračunamo po enačbi 4.1.

Vrednosti so: 21 3,3mm

N=σ , ,825,0 22 mm

N=σ .528,0 23 mm

N=σ Izmerili smo skrčke in jih vpisali v

spodnjo tabelo.

12

Preglednica 5.2: Skrčki pri različnih vrstah lesa, različnih legah vlaken, dimenzijah kock in različnih napetosti.

BUKEV SMREKA BALSA

Skrčki glede na smer obremenjevanja v mm

Kocka

σ /

Vzporedno

Pravokotno

Vzporedno

Pravokotno

Vzporedno

Pravokotno

S1 3,3 0 0 0 0,14 0,5 0,7 S2 0,825 0 0 0 0,07 0,3 0,5 S3 0,528 0 0 0 0 0 0,3

V preglednici 5.2 opazimo, da je do skrčkov pri obremenjevanju vzporedno na vlakna prišlo le za balso. Torej je bilo obremenjevanje majhno. Pri obteževanju pravokotno na vlakna vidimo skrčke za smreko in balso. S pomočjo teh podatkov lahko narišemo grafa.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

ε/mm

σ/N

/mm

^2

Slika 5.2: Graf odvisnosti )(εσ pri pravokotni obremenitvi na vlakna pri obtežbi 33 kg. Polna črta – smreka in črtkana – balsa. Pri bukvi ni bilo skrčkov.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

ε/mm

σ/ N

/mm

^2

Slika 5.3: Graf odvisnosti )(εσ pri vzporedni obremenitvi na vlakna pri obtežbi 33 kg. Črtkana črta – balsa. Pri smreki in bukvi ni bilo skrčkov. Graf na sliki 5.2 spominja na graf iz slike 5.1. Graf na sliki 5.3 je veliko bolj položen. Vidimo lahko, da je trdnost vzporedno na vlakna veliko večja kot pa trdnost pravokotno na vlakna, ker so skrčki manjši.

13

5.4.3 Obremenjevanje vzorca pri obtežbi 42 kg Zopet upoštevamo težo jekla, ki je bil na kocki: 990 g. Torej: 41 kg . Ker smo imeli dve kocki, se je teža porazdelila, torej velja na kocko . Skrček zopet množimo z dve. Dimenzije kock so iste, kot pri 5.4.1. Velja F=420 N. Napetost izračunamo po enačbi 4.1. Vrednosti so:

21 2,4mm

N=σ , ,05,1 22 mm

N=σ .672,0 23 mm

N=σ Izmerili smo skrčke in jih vpisali v spodnjo tabelo.

Preglednica 5.3: Skrčki pri različnih vrstah lesa, različnih legah vlaken, dimenzijah kock in različnih napetosti.

BUKEV SMREKA BALSA

Skrčki glede na smer obremenjevanja v mm

Kocka σ /

Vzporedno

Pravokotno

Vzporedno

Pravokotno

Vzporedno

Pravokotno

S1 4,2 0 0,04 0,02 0,16 0,6 0,8 S2 1,05 0 0 0 0,08 0,2 0,6 S3 0,672 0 0 0 0 0 0,3

Slika 5.4: Graf odvisnosti )(εσ pri obremenitvi pravokotno na vlakna pri obtežbi 42 kg. Debela črta – bukev,

tanka – smreka in črtkana balsa.

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

ε/mm

σ/ N

/mm

^2

Slika 5.5: Graf odvisnosti )(εσ pri obremenitvi vzporedno na vlakna pri obtežbi 42 kg. Tanka črta – smreka in črtkana balsa.

14

5.4.4 Komentar meritev Eksperimentalno dobljeni konstitutivni zakoni lesa pri vseh tipih obremenitve kažejo do neke mere na linearno elastično obnašanje lesa. Za praktičen račun, kjer so nivoji napetosti precej nižji od polovice trdnosti, si pomagamo kar s Hookovim zakonom, enačba 4.3 [13]. Preglednica 5.9: Modul elastičnosti pri različnih vrstah lesa [13]. E vzporedno OBTEŽBA 5,5 kg PRAVOKOTNO NA VLAKNA Vse naslednje module elastičnosti računamo po sledečem postopku. Uporabimo enačbe (4.2) in (4.3):

Izračunani modul elastičnosti lahko uvrstimo v preglednico 5.10. Ker imamo nizko vrednost modula, lahko sklepamo, da je les slabše kakovosti. Odstopanj ni. Balsa:

21 87,3cmNE = , 22 74,2

cmNE = , 23 66,3

cmNE = .

Izračunani elastični moduli so majhni in med seboj podobni. Če pogledamo preglednico 5.10 opazimo, da vrednost tlačne trdnosti ni podana. Sklepamo lahko, da je to zelo ne trden les, zato se ga v praksi praviloma ne uporablja, razen za kakšne hobije, kot so maketarstvo in modelarstvo. OBTEŽBA 33 kg VZPOREDNO NA VLAKNA

Balsa: 21 27,6cmNE = , 22 42,5

cmNE = .

Izračunana elastična modula sta majhna. Če bi dosegla vrednost, kot je prikazana v preglednici 5.10, bi prišlo do porušitve (v vzorcih bi nastale razpoke). PRAVOKOTNO NA VLAKNA:

Smreka: 21 24,23cmNE = , 22 49,23

cmNE = .

Oba izračunana modula elastičnosti lahko uvrstimo v preglednico 5.10, torej odstopanj ni.

Balsa: 21 38,4cmNE = , 22 22,3

cmNE = , 23 34,4

cmNE = .

OBTEŽBA 42 kg VZPOREDNO NA VLAKNA:

VRSTA LESA [1/kN/cm2] Epravokotno [1/kN/cm2]

Smreka, jelka 700-1400 23-47

Hrast, bukev 1000-2000 64-125

Balsa 14,9 /

15

Smreka: 21 58,419cmNE = .

Če pogledamo v preglednico 5.10 dobljeni rezultat izstopa. Odstopanje je približno 40%. Verjetnost napake je lahko nenatančna meritev s kljunastim merilom.

Balsa: 21 58,6cmNE = , 22 395,10

cmNE = .

PRAVOKOTNO NA VLAKNA

Bukev: 21 58,104cmNE = .

Dobljen elastičen modul lahko uvrstimo v preglednico 5.10. Odstopanj ni. Sodeč po rezultatu lahko sklepamo, da je vzorec bukve boljše kakovosti kot pa je vzorec smreke.

Smreka: 21 83,25cmNE = , 22 145,26

cmNE = .

Dobljene rezultate lahko uvrstimo v preglednico 5.10. Odstopanj ni.

Balsa: 21 83,4cmNE = , 22 395,3

cmNE = , 23 53,5

cmNE = . 

Vse vrednosti modulov so majhni. Torej je to zelo ne trden les. 6. Preskus tlačne trdnosti pri pouku Učitelj lahko ta preskus izvede med poukom Tehnike in tehnologije, med obravnavo mehanskih lastnosti tlačna trdnost. Vendar pa preskus zahteva veliko časa. Sama priprava vzorcev (žaganje, pregled lesa) nam lahko vzame nekaj ur. Za izvedbo preskusa pa bo učitelj potreboval okvirno 30 min. Potrebno je namreč razvrščanje lesa glede na vlakna, natančno predhodno merjenje in merjenje po obremenitvi. Predhodno je potrebno zelo natančno nažagati vzorce, ki naj bodo različnih dimenzij. Pomembno je tudi, kako bo učitelj obteževal vzorce; vzporedno ali pravokotno na vlakna. Predhodno je potrebno tudi pregledati, da nima les kakšnih grud, da ni preveč vlažen in da nima še kakšnih drugih nepravilnosti. Menim, da bi bilo zelo dobro dati učencem predhodno liste z razpredelnicami, kamor bi vpisovali rezultate meritev. Lahko pa naredimo učno uro tudi drugače. Učencem damo že izdelane grafe, kakor so podani v prejšnji točki. Damo pa mu tudi vzorec lesa, vendar mu ne povemo katera vrsta lesa. Učenec tako pozna dimenzije vzorca in težo s katero bo obremenjeval vzorec. Pri obremenjevanju bo dobival določene skrčke katere bo nato primerjal s skrčki prikazanimi na grafu. Tako bo lahko ugotovil katero vrsto lesa ima. 7. Sklep: Preskušanje mehanskih lastnosti lesa in drugih gradiv je nujna kategorija tehniške stroke in kulture ter naloga tehnike in tehnologije. Pomembno je, da učenci spoznajo lastnosti lesa, saj se v osnovni šoli srečajo z izdelavo predmeta iz lesa. Žal pri tem preizkusu, ki je tudi naveden, ne moremo dobiti popolno natančnih podatkov, takšnih kakršne lahko najdemo v strokovni literaturi. Za natančne rezultate bi potrebovali specializirane stroje, ki pa v osnovnih šolah niso na razpolago. Rezultati bi bili popolnoma pravilni takrat, ko bi dosegli porušitev, oz. razpoke v lesu. Takrat bi dosegli tisto največjo silo in s tem tudi obremenitev, ki jo lahko les še prenese. Za ta preizkus pa lahko merimo le skrčke. Vendar le, pa učenci dobijo občutek kaj je obremenjevanje lesa na tlak, definicijo in dobijo občutek, da se les razlikuje ne le po barvi temveč tudi po trdnosti. Da bi lahko izboljšali naš način preskušanja bi morali dodati še kakšen dodaten vzorec, npr. kocke lesa dimenzije

mm. Da bi dobili bolj natančne skrčke bi morali posamezne vzorec obremenjevati dlje, npr. eno minuto, vendar pa bi potrebovali zato več časa. Če pa bi želeli dobiti boljše meritve bi potrebovali težje obtežbe ali pa bi se lotili preskušanja s pomočjo primeža. Vendar pa menim, da bi bilo izračunavanje sil, ki bi delovale na vzorec oteženo.

)150150150( ××

Spoznali smo torej, da je pomembno, da učenci poznajo lastnosti lesa, med njimi tudi tlačno trdnost. Na osnovi usvojenega znanja, bodo lahko učenci primerno izbrali vrsto lesa za izdelavo izdelka.

16

8. Literatura [1] A. Praprotnik in ostali, Učni načrt – Tehnika in tehnologija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo znanost in

šport, Zavod RS za šolstvo, 2002). [2] Les: [http://www.fg.uni-mb.si/lucija/InzenirskiMateriali/11%20Les.pdf]. [3] Aberšek, B., Florjančič, F. in Papotnik, A. Tehnika 6 (Ljubljana, DZS, 2004). [4] Sušnik B., Hajdinjak L. in Kocijančič S. Tehnika in tehnologija (Ljubljana,Tehniška založba Slovenije, 2005). [5] Tomšič M., Zupančič T., Tehnika in delo (Ljubljana, Tehniška založba Slovenije, 1995). [6] M. Eckhard, W.Ehrmann in drugi, Lesarski priročnik (Ljubljana, DZS d.d., 2008). [7] Bukev: [http://sl.wikipedia.org/wiki/Bukev]. [8] I. Leban, Les in lastnosti [http://www.cpi.si/files/userfiles/Datoteke/ucnagradiva/Lesarstvo/Osnove%20lesarstva/4-LES%20LASTNOSTI.pdf]. [9] Osnove lesarstva [http://www.cpi.si/files/userfiles//Datoteke/ucnagradiva/Lesarstvo/Osnove%20lesarstva/OSNOVE%20LESARSTVA%20-%20%20MEHANSKE%20IN%20FIZIKALNO%20KEMIJSKE%20%20LASTNOSTI%20LESA.pdf]. [10] R. Pipa, Anatomija in tehnologija lesa (Ljubljana, Lesarska založba, 1997). [11] J. Bezjak, Materiali v tehniki (Ljubljana, Tehniška založba Slovenije, 1997). [12] R. Žarnić, Lastnosti gradiv (Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Katedra za preskušanje materialov in konstrukcij, Ljubljana, 2005). [13] J. Lopatič, Lesene konstrukcije 1 (Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Katedra za masivne in lesene konstrukcije, Ljubljana, 2007). [14] J. Grum, Gradiva (Ljubljana, Tehniška založba Slovenije, 1989). [15] Trdnost in porušitev lesa: [http://les.bf.uni-lj.si/uploads/media/11_Trdnost_in_porusitev_lesa.pdf]. [16] Lanem: Laboratorij za nelinearno mehaniko: [http://www.fs.uni-lj.si/lanem/storitve.html]. [17] Tlačni preskus: [http://www.fg.uni-mb.si/lucija/InzenirskiMateriali/Praktikum%202.pdf]. [18] Tlačna trdnost balse: [http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/pdf2001/green01d.pdf].

17

9. Priloge

9.1 Učni list V nadaljevanju podajam učni list, pod 9.1.1 rešenega in pod 9.1.2 nerešenega.

9.1.1 Rešeni učni list

UČNI LIST

1. Katere mehanske lastnosti lesa poznaš? a) Trdota, trdnost, barva, gostota, vlažnost b) Trdota, trdnost, cepljivost, prožnost, barva c) Trdota, trdnost, cepljivost, prožnost, žilavost

2. Kateri les ima večjo trdnost?

a) Suh b) Vlažen

3. Kaj je tlačna trdnost lesa?

a) Odpor lesa proti tlačnim obremenitvam b) Odpor lesa proti nateznim obremenitvam c) Odpor lesa proti strižnim obremenitvam

4. Trdnost je lahko pri istem tipu obremenitve zelo različna.

Trdnost lesa ločimo glede v smeri ____VZPOREDNO___________ z vlakni in trdnost _________PRAVOKOTNO_______ glede na vlakna.

5. Pri tlačni trdnosti velja, da je normalna napetost, ki deluje vzporedno na vlakna (večja / manjša) ___VEČJA________ od trdnosti, ki deluje pravokotno na vlakna.

6. Kaj prikazuje spodnja slika:

a) Univerzalni preskuševalni stroj med nateznim preskusom

b) Univerzalni preskuševalni stroj za trdoto

c) Univerzalni poskuševalni stroj med tlačnim preskusom

18

9.1.2 Nerešeni učni list UČNI LIST

1. Katere mehanske lastnosti lesa poznaš? a) Trdota, trdnost, barva, gostota, vlažnost b) Trdota, trdnost, cepljivost, prožnost, barva c) Trdota, trdnost, cepljivost, prožnost, žilavost

2. Kateri les ima večjo trdnost?

a) Suh b) Vlažen

3. Kaj je tlačna trdnost lesa? a) Odpor lesa proti tlačnim obremenitvam b) Odpor lesa proti nateznim obremenitvam c) Odpor lesa proti strižnim obremenitvam

4. Trdnost je lahko pri istem tipu obremenitve zelo različna.

Trdnost lesa ločimo glede v smeri _______________ z vlakni in trdnost ________________ na vlakna.

5. Pri tlačni trdnosti velja, da je normalna napetost, ki deluje vzporedno na vlakna ___________ (večja / manjša) od trdnosti, ki deluje pravokotno na vlakna.

6. Kaj prikazuje spodnja slika:

a) Univerzalni preskuševalni stroj med nateznim preskusom

b) Univerzalni preskuševalni stroj za trdoto

c) Univerzalni preskuševalni stroj med tlačnim preskusom

19