Mendelova zemědělská a lesnická Univerzita v Brně
Vliv makroskopické stavby dřeva na hustotu dřeva Fyzikální vlastnosti dřeva Protokol č.1
Vypracoval: Pavel Lauko Obor: DI Ročník: 2. Skupina: 1.
Datum cvičení: 24.9.2002 Datum vypracování: 27.9.
Makroskopická stavba dřeva a hustota dřeva. Zadání: 1 - Zjištění závislosti šířky letokruhu , šířky jarního a letního dřeva na věku stromu (tab., graf ) . 2 - Zjištění průměrné šířky letokruhu a průměrného procenta letního dřeva na vzorcích (2*2*3 cm SM, JS/DB, BK) 3 - Stanovení hustoty zkušebních tělísek (SM, JS/DB, BK) 4 - Stanovení závislosti hustoty na průměrné šířce letokruhu a průměrném procentu dřeva tělíska 5 - Stanovení závislosti hustoty na věku stromu ( syntéza bodu 1 - 4 )
Cíl práce: Hlavním úkolem cvičení bylo odvodit, zda hustota dřeva souvisí s jeho anatomickou stavbou a jak závisí šířka letokruhu, jarního a letního dřeva na věku stromu. Literární přehled : Hustota dřeva je charakterizována podílem hmotnosti dřeva a jeho objemu, jednotkou je kg.m-3 nebo g.cm-3. Ve srovnání s jinými materiály je určení hustoty u dřeva poměrně obtížné vzhledem k hygroskopicitě dřeva. Jak hmotnost tak i objem dřeva jsou velni ovlivněny vlhkostí dřeva. Přesto jde o jednu z nejvýznamnějších charakteristik dřeva, která výrazně ovlivňuje většinu fyzikálních a mechanických vlastností dřeva. Hustotu dřeva můžeme skutečně považovat za nejlepší kritérium pro posuzování vlastností dřeva. Citace slovenské literatury: Hustota dreva. Hustota dreva udáva hmotnosť jeho objemovej jednotky, pričom sa najčastejšie vyjadruje v kg /m3 alebo g/cm3. Hustota dreva bola predmetom výskumu mnohých prác, pretože ide o charakteristiku, ktorá významne ovplyvnuje fyzikálne a mechenické vlastnosti dreva. Například ťažké drevo je pevnejšie, tvrdšie a odolnejšie proti opotřebovanou než ľahké drevo. Hustota dreva nadobúda na význame při jeho mechanickom a chemickom spracovaní, kde sa kladie dôraz na hmotnostné množstvo drevnej hmoty a kde je potrebné vedieť, koľko drevnej hmoty obsahuje konkrétna objemová jednotka. Ďalej je ukazovatelom vhodnosti použitia dreva na také účely, kde sa vyžaduje napríklad nízka hmotnosť při vysokej pevnosti alebo pružnosti dreva na výrobu hudobných nástrojov a inde. Z uvedeného vyplýva, že poznatky o hustote dreva majú nielen teoretický, ale aj praktický význam.
Hustota drevnej substancie.
Drevnou substanciou rozumieme hmotu bunkových stien bez pórov (lúmenov a medzibunkových priedtorov). Hustota drevnej substancie ρs je vyjádrená pomerom hmotnosti drevnej substancie m a jej příslušného objemu V.
ρs =
m V
[kg/m3]
Hustaota drevnej substancie je takmer stála hodnota, ktorá sa mení len natoľko, nakoľko sa mení chemické zloženie dreva. Pohybuje sa v rozmedzi od 1490 do 1560 kg/m3 pri priemernej hodnote 1540 kg/m3. Hustota drevnej substancie niektorých našich drevín: Hustota drevnej substancie (kg/m3)
Drevina Borovica
jadro
1535
beľ
1550
Smrek
1540
Smrekovec beľ
1550
Dub
jadro
1540
beľ
1550
jadro
1560
Breza
1560
Osika
1560
Hustota drevnej substancie nadobúda na význame napríklad pri rôznych výpočtoch, jako pórovitosti, maximalnej nasiakavosti, pri technologických procesoch inpregnácie dreva a inde. Hustota naších hospodársky najvýznamnejších drevín: Dreviny
Hustota ρ0 (kg/m3)
Smrek, Jedľa, Topole
350-400
Limba, Lipa, Osika
400-450
Borovioca,
500
Smrekovec, Duglaska, Vŕba, Jelša,
500-600
Breza
630
Jaseň, Javor, Gaštan
640-650
Brest, Dub
680
Buk
730-800
Agát, Hrab
Vplyv šírky ročných kruhov a podielu letného dreva na jeho hustotu. Vplyv šírky ročných kruhov n ahustotu dreva ihličnatých a listnatých drevín je rozdielny.
Hustota dreva borovice stúpa s poklesom šírky ročných kruhov dôsledku vyššieho podielu letného dreva až po rozmer v rozpätí 2-0,4 mm, keď nastáva náhly pokles šírky letného dreva i hustoty. Pri listanatých drevinách z výnimkou niektorých roztrusenopórovitých drevín prevláda opačná tendencia.
Hustota jarného a letného dreva niektorých ihličnatých drevín: Hustota dreva ρ0 (kg/m3)
Drevina
jarné drevo
letné drevo
Smrek
350
870
Duglaska
300
790
Borovica - beľ
360
900
340
810
- jadro
Vplyv veku stromu na hustotu dreva. Väčšina drevín s vynimkou smreka vykazuje so stúpajúcim vekom pokles hustoty. Ak hostotu dreva pokladame za jedno z kritérií na posúdenie kvality dreva, bude sa táto kvalita so stúpajúcim vekom stromu znižovať. (Alexander Požgaj, Štruktůra a vlastnosti dreva)
Materiál a metodika: Měření a příprava vzorků se provádí v souladu s ČSN 49 0101 1. Zjištění závislosti šířky letokruhu a podílu letního dřeva na věku stromu u dřevin DG a moruše: K měření jsme použili dřevo douglasky (ve věku cca ) a dřevo moruše (ve věku cca ) Postup měření: Nejprve jsme si na příčném řezu kmenem dřeviny udělali tužkou čáru směřující od dřeni k obvodu a to tak, aby vedla přes nejpřirozenější šířky letokruhů a zároveň místy bez viditelných vad (suky, trhliny). Šířky jsme měřili posuvným měřidlem. Měření provádíme co nejpřesněji.
Nejprve
šířky
jednotlivých
letokruhů,
posléze
šířky
letního
dřeva
v příslušných
letokruzích. Důležité je přesně přiřadit šířku let. dř. k příslušnému letokruhu, protože v opačném případě by se jednalo o neobjektivní a nepřesné měření a výsledky by byly neplatné. 2. Zjištění průměrné šířky letokruhu a průměrného procenta letního dřeva na zkušebních tělíscích: Jako zkušební materiál (vzorky) jsme použili kvádříky z jednotlivých skupin domácích dřevin:
z listnatých
jehličnatých smrk.
kruhovitě
pórovitých
jasan, listnatých
roztroušeně pórovitých
buk,
K měření byly připraveny kvádříky o rozměrech 20*20*30 mm, bez vad. Nejprve jsme si opět našli na příčném řezu ordinálu, tedy kolmici na tečnu k libovolnému letokruhu a tužkou vyznačili. Měření jsme prováděli pouze u dřeva jasanu a smrku, protože dřevo buku patří mezi roztroušeně pórovité u nichž je přechod mezi jarním a letním dřevem velmi pozvolný a tedy nelze měřit šířku jarního ani letního dřeva. Šířky jsme měřili posuvným měřidlem. Měření provádíme co nejpřesněji. Nejprve šířky jednotlivých letokruhů, posléze šířky letního dřeva v příslušných letokruzích. Důležité je přesně přiřadit šířku let. dř. k příslušnému letokruhu, protože v opačném případě by se jednalo o neobjektivní a nepřesné měření a výsledky by byly neplatné. Hustotu získáme jako podíl součtu šířek všech letokruhů a součtu šířek letního dřeva. 3. Stanovení hustoty zkušebních tělísek Stanovení probíhalo pomočí výpočtu. Z naměřených hodnot všech rozměrů zkušebních tělísek jsme sestavili tabulky, do které jsme též zaznamenali hmotnost tělísek zjištěnou na elektronických vahách.
Dále jsme užili vzorce pro výpočet hustot, v němž platí, že hustota je rovna podílu
hmotnosti tělesa a jeho objemu. Nutno dosadit ve správných jednotkách. ad 2) ŠL = l / d1 LD = ( dx /
l
( mm ) l ) * 100 ( )
kde : l – součet letokruhů d – počet letokruhů 100 dx – součet
d1
(
)
ad 3) =
m V
… hustota (kg.m3) m … hmotnost V … objem Statistika: Zjišťovali jsme tyto parametry: aritmetický průměr, minimum, maximum, směrodatná odchylka Tyto výpočty byly provedeny funkcí programu MS Excel "Analýza dat". Aritmetický průměr:
Směrodatná odchylka:
x=
1 n ∑ xi n i =1
S=
1 n ∑ n = 1 i =1
(x − x)
2
i
Výsledky: Tabulka č. 1. Smrk dřevo
Hustota kg.m-3
prům. š. l. mm
prům.% l. %
SM
433
2,6
38,0
SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM SM
407 416 415 390 423 403 400 466 399 403 381 400 397 389 416 364 376 381 447 395 409 377 437 450 390 417 398 400 412 413 416 410 431 388 441 417 370 403 358 407 426 426 436 399
3,3 2,5 1,8 2,8 1,9 4,5 4,3 2,4 3,0 4,9 5,2 3,5 4,4 2,9 2,6 5,0 5,8 4,8 2,6 5,8 5,6 4,6 4,8 4,5 4,0 4,0 3,9 5,3 4,1 1,8 2,3 1,9 1,5 4,8 3,0 6,3 4,2 3,6 2,0 3,0 2,4 3,1 1,4 3,7
31,7 20,1 52,0 20,0 18,8 9,0 17,6 10,4 21,3 4,7 16,6 21,0 13,8 23,4 40,9 23,3 23,0 16,8 25,9 3,9 19,8 6,5 20,0 22,5 10,0 12,5 7,6 18,9 15,0 32,5 4,8 13,1 36,0 14,2 47,3 23,8 16,1 35,0 10,2 33,3 35,9 25,7 42,5 23,8
Tabulka č. 2. Jasan dřevo
hustota kg.m-3
prům. š. l. mm
prům.% l. %
JS
830
5,6
64,0
JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS JS
707 757 682 741 653 764 719 671 740 896 696 700 626 680 683 758 751 729 653 706 814 670 670 750 682 656 705 731 742 683 696 669 681 744 706 755 823 703 697 677 659 670 779 694
1,8 4,1 2,2 2,7 1,1 1,3 3,1 2,1 2,7 2,4 4,2 1,1 1,6 1,7 2,6 1,7 1,9 1,6 1,7 2,1 3,6 1,6 1,8 2,4 1,8 1,3 1,4 3,4 2,8 1,2 2,9 1,6 0,9 2,3 3,8 2,7 2,7 3,6 3,8 1,6 1,4 1,3 1,7 1,8
62,6 88,3 73,0 73,0 32,2 58,0 73,7 59,0 61,5 65,0 55,5 65,0 47,8 60,3 65,7 38,0 32,0 50,8 31,8 40,7 65,7 38,1 67,5 36,0 62,3 67,5 45,0 58,0 71,4 57,8 62,1 60,8 76,0 64,0 55,3 49,6 63,1 54,4 53,1 55,9 26,7 55,6 54,6 72,0
Tabulka č. 3 Buk dřevo BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK BK
hustota kg.m-3 629 614 757 757 643 679 627 764 729 675 783 666 740 709 736 710 650 701 741 769 698 738 763 745 760 724 742 719 741 768 726 765 735 705 700 743 736 692 673 711 769 703 711 709 705
prům. š. l. mm 2,3 2,1 2,2 2,1 3,0 2,4 3,0 2,0 1,6 2,0 2,2 3,0 2,0 1,6 1,8 1,9 2,4 2,3 2,3 2,2 1,7 2,1 2,0 2,4 2,4 2,0 1,5 2,8 2,6 1,4 1,8 2,2 1,1 2,2 2,2 1,6 1,7 1,9 2,4 2,0 3,0 2,6 2,4 2,5 2,7
Graf č. : 1.
hustota dřeva (kg*m3)
Závislost hustoty dřeva na průměrné šířce letokrohu 900 800 700 600 500 400 300 200 0
1
2
3
4
5
6
7
šířka letokruhu (mm) SM
JS
BK
Jasan
Buk
Smrk
Graf č. : 2
hustota dřeva (kg*m3)
Závislost hustoty dřeva na průměrném % letního dřeva 900 800 700 600 500 400 300 200 0
20
40
60
80
podíl letního dřava (%) SM
JS
Jasan
Smrk
100
Tabulka č. 7. Dřevina Jasan Buk Smrk
Rozměry vzorků Šířka mm mm 1,97 1,99 1,94 1,94 2,02 1,96
Délka mm 2,95 3,01 3,00
Objem mm3 1,15*10-5 1,13*10-5 1,18*10-5
Hmotnost
Hustota Kg*m-3 694,34 705,3 399,91
g 8,03 7,99 4,75
Tabulka č. 8. Buk Šířka l. 1 2 3 4 5 6 7 8 Průměr % letního dř
2,3 2,5 2,2 3,0 3,4 2,6
Šířka l. 1,1 2,4 2,1 2,4 1,5 1,5 2,1 1,9 1,87
2,66 -
Jasan Šířka let.dř. 1,0 1,1 0,9 1,1 0,7 1,0 1,6 1,3
Šířka jar.dř. 0,1 1,3 1,2 1,3 0,8 0,5 0,5 0,6
Šířka l.
Smrk Šířka let.dř.
Šířka jar.dř.
3,4 4,1 4,9 3,7 2,8
2,5 3,2 3,9 2,8 2,0
0,9 0,9 1,0 0,9 0,8
3,78 72 %
23,8 %
Graf č. : 3
šířka letního dřeva (mm)
Závislost šířky letního dřeva na šířce letokruhu u jasanu 2
1,5 1
0,5 0 0
0,5
1
1,5
2
šířka letokruhu (mm) Jasan
průběh závislosti
2,5
3
Graf č. : 4
Závislost šířky letního dřeva na šířce letokruhu u smrku šířka letního dřeva (mm)
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0
1
2
3
4
5
6
šířka letokruhu (mm) Smrk
průběh závislosti
% letního dřeva (%) 51 41 60 32 32 47 26 50 64 83 53 46 29 69 52 74 50 73 56 32 47 39 49 66 47 71 51,50 83 26 15,51
Šířka letokruhu (mm)
Moruše Šířka Letního Dřeva (mm)
2 2 3,6 2,6 2,5 4,25 3,8 4,7 4,6 5,2 5,5 5,6 5,8 6,3 6,3 6,4 6,4
1,2 1,6 1,2 2,4 2,1 4,0 3,7 3,6 3,6 4,4 4,4 3,7 5,0 5,1 5,2 4,6 4,6
Tabulka č. 9. Věk stromu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Arit. prům. Max. Min. Směr. Odch.
Šířka letokruhu (mm)
Douglaska Šířka Letního Dřeva (mm)
3,5 2,4 3 3,4 5 5,1 4,1 8,2 7,6 4,2 7 7,9 6,5 5,5 6,1 6,6 6,1 6,1 7,4 6,7 7,1 6,1 6,5 5,9 7,4 4,5
1,8 1 1,8 1,1 1,6 2,4 1,1 4,1 4,9 3,5 3,7 3,7 1,9 3,8 3,2 4,9 3,1 4,5 4,2 2,2 3,4 2,4 3,2 3,9 3,5 3,2
5,77 8,2 2,4 1,553
3,00 4,9 1 1,163
4,56 6,4 2 1,473
3,55 5,2 1,2 1,252
% letního dřeva (%) 60 80 33 92 84 94 97 76 78 84 84 66 86 80 82 71 71
77,53 97 33 14,77
Graf č. : 5
Šířka (mm)
Závislost šířky letokruhu a letního dřeva na věku stromu u douglasky 10 8 6 4 2 0 0
5
10
15
20
25
30
Věk stromu (roky) šířka letokruhu šířka letokruhu
šířka letního dřeva šířka letního dřeva
Graf č. : 6
Podíl letního dřeva (%)
Závislost % letního dřeva na věku stromu u douglasky 100 80 60 40 20 0 0
5
10
15
20
25
30
Věk stromu (roky) podíl letního dřeva
Graf č. : 7
Šířka (mm)
Závislost šířky letokruhu a letního dřeva na věku stromu u moruše 10 5 0 0
5
10
15
Věk stromu (roky)
šířka letukruhu šiřka letokruhu
šířka letního dřeva šířka letního dřeva
20
Graf č. : 8
Podíl letního dřeva (%)
Závislost % letního dřeva na věku stromu u moruše 100 80 60 40 20 0 0
5
10
15
20
Věk stromu (roky) podíl letního dřeva Závislost hustoty na šířce letokruhů a letním dřevě Graf č. : 9
hustota dřeva (kg.m-3)
Závislost hustoty dřeva na průměrné šířce letokruhu 850 750 650 550 450 350 0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
šířka letokruhu (mm)
SM
JS
BK
hustota dřeva (kg.m-3)
Graf č. : 10
Závislost hustoty dřeva na průměrném % letního dřeva
1000 900 800 700 600 500 400 300 0,0
20,0
40,0
60,0
prům. % let. dřeva (%)
SM
JS
80,0
8,0
Graf č. : 11
Závislost hustoty na věku stromu u listnatých dřevin
Hustota (kg/m3)
415 410 405 400 395 390 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Věk stromu
Graf č. : 12
Závislost hustoty na věku stromu u jehličnanů 800
Hustota (kg/m3)
780 760 740 720 700 680 660 0
5
10
15
20
25
30
Věk stromu
Diskuse: Letokruhy jsou roční přírůstky dřeva stromu za jedno vegetační období, které na příčném řezu dřevem kmene tvoří přibližně soustředné vrstvy navazující jedna na druhou a obklopují dřen.. Letokruh se skládá ze dvou složek a to jarního a letního dřeva. Obsah těchto složek je u všech dřevin různý a jejich šířku mohou ovlivnit ať přímo nebo nepřímo různé faktory jako jsou například pěstební podmínky, věk stromu, stanovištní podmínky, poloha ve kmeni, hmyz, atd. V optimálních stanovištích podmínkách pro příslušný druh dřeviny se tvoří v průměru nejširší letokruhy. V důsledku excentrické stavby
letokruhů,
způsobené
nerovnoměrným
zatížením
koruny
se
šířka
letokruhu
stává
rozmanitou,tímto se mění anatomická struktura buněčných elementů dřeva. S tím souvisí fyz. a mech vlastnosti dřeva. Obecně se šířka letokruhu mění s věkem. U většiny dřevin se nejprve vytvářejí větší letokruhy a s narůstajícím stářím dochází k jejich poklesu. Stavba letokruhu
závisí na druhu dřeviny, věku
jedince, poloze v kmeni, stanovištních podmínkách, sociálním postavení stromu v porostu a pěstebních opatřeních. V druhé části cvičení jsem zjišťoval především procentuální zastoupení a celkovou šířku letního dřeva ve zkoumaných vzorcích (smrku, jasanu a buku), a jejich hustotu. Hustota závisí na letokruzích. U jehličnatých dřevin s rostoucí šířkou letokruhů roste procentické zastoupení jarního dřeva, zatímco u listnatých dřev s roztroušeně pórovitou stavbou dřeva s rostoucí šířkou letokruhu roste procentické zastoupení letního dřeva. Jarní dřevo je vytvořeno na začátku vegetačního období, buňky zde uložené jsou tenkostěnné s většími průměry, nacházejí se zde elementy na vedení živin a vody. Toto dřevo má tedy menší hustotu (zvlášť u velkých cév listnatého dřeva) než dřevo letní vytvořené v průběhu vegetačního období (buňky tlustostěnné, převážně s mechanickou funkcí.). Jelikož se u jehličnanů vytváří více jarního dřeva než letního musí zákonitě s rostoucí šířkou letokruhů
klesat hustota dřeva, které je tedy z valné části zastoupeno jarním
dřevem. Naopak je tomu u listnatých dřev s kruhovitě cévnatou stavbou dřeva, s rostoucí tloušťkou letokruhů roste podíl letního dřeva tudíž i hustota dřeva. Nejvíce elementů jejichž obsah zvyšuje hustotu dřeva je obsaženo v letním dřevě. Vyplývá z toho, že čím bude větší obsah letního dřeva ve vzorku, tím se bude jeho hustota zvyšovat. Se zvyšující se šířkou letokruhu se hustota u kruhovitě pórovitých listnáčů zvětšuje a u jehličnanů snižuje. V grafu číslo 1. Závislost hustoty dřeva na průměrné šířce letokruhu vidíme, že u dřeva smrku a buku hustota s rostoucí šířkou letokruhu mírně klesá oproti dřevu
jasanu, kde znatelně stoupá. Naopak
hustota v závislosti na průměrném % letního dřeva v letokruhu roste u všech měřených dřev. Objem letního dřeva u Jasanu byl největší a to 72% oproti smrku, kde se procento zastoupení letního dřeva pohybovalo kolem hodnoty 23. Průměrně, bráno v potaz u všech dřev současně, má letokruh šířku 5,77 mm, z toho 3 mm zaujímá letní dřevo. Z věkem jednoznačně roste i šířka letokruhu.
Závěr: Uvědomili jsme si závislosti vlastností dřeva na věku stromu. S věkem se šířka letokruhů mění směrem od dřeně k obvodu, šířka jarního dřeva je závislá na změně šířky letokruhu a ze znalostí stavby dřeva víme, že letní dřevo bývá obvykle užší než jarní.. S rostoucí šířkou letokruhu u jehličnatého dřeva klesá hustota. U listnačů s rostoucí šířkou letokruhů se zvyšuje hustota. hustota. S větším zastoupením letního dřeva se zvyšují mechanické a fyzikální vlastnosti. Některé naměřené hodnoty se liší od normálu. Tyto výjimky mohli být způsobeny jak biotickými i abiotickými činiteli, nepřesným měřením.
Použitá literatura: Šlezingerová J., Rndr., Gandelová L., RNDr. : Stavba dřeva Horáček P., Dr. Ing. : Fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva
