آشنایی با ماهیت و خواص فیزیکی چوب
چوب ماده خام طبیعی است که بعد از زغال سنگ و نفت، جایگاه سوم در دنیا را به خود اختصاص داده است. به دشواری می‌توان ماده‌ی خام دیگری مانند چوب یافت که به طور گسترده و در همه جای دنیا در دسترس باشد.
در بررسی فیزیک چوب، ماهیت چوب به لحاظ فیزیکی و چگونگی ارتباط واکنش این ماده خام طبیعی در برابر رطوبت، حرارت، صوت و جریان اکتریکی بررسی میشود.
ماهیت چوب
ناهمگنی
چوب ناهمگن است، چون اجزای سلولی تشکیل دهنده‌ی آن متفاوت و شامل سلول‌های فیبر، پره‌های چوبی (پارانشیم) و آوندها است. علاوه بر آن شکل و اندازه هر یک از آنها در طول دوره رشد گیاه تغییر می‌کند.
هرسو نایکسانی
چوب هرسو نایکسان است، چون اجزای سلولی مختلف آن در جهات متفاوت قرار گرفته‌اند، برخی موازی با محور طولی (فیبرها و آوندها) و برخی در جهت عمود بر محور طولی درخت قرار گرفته‌اند. (پره های چوبی)
با در نظر گرفتن دو ویژگی ناهمگنی و هرسو نایکسانی، بیشتر بررسی‌های چوب بر روی برش‌های سه گانه‌ی عرضی، شعاعی و مماسی انجام میشود.
انواع برش‌های چوب
برش عرضی
برش عرضی در جهت عمود بر محور طولی تنه قرار دارد، با چشم غیر مسلح و برحسب نوع چوب از بیرون به سمت داخل بخش‌های زیر در این برش دیده می‌شوند:
- پوست (شامل پوست بیرونی و درونی)
- چوب (شامل چوب برون، چوب درون، دوایر سالیانه، پره های چوبی و مغز)
برش شعاعی
برش شعاعی در جهت موازی با محور طولی تنه و در امتداد پره های چوبی (از پوست به مغز) قرار دارد. در این برش پره های چوبی در تمام طول و ارتفاع خود به صورت نوارهای برق، دوایر سالیانه به صورت خط‌های موازی یکدیگر، آوندهای درشت به شکل سیارهای ریز و درشت یا ترک ریز و پارانشیم های طولی دیده می‌شوند.
برش مماسی
در جهت موازی با محور طولی تنه قرار دارد که آن را برش رگه ای نیز می‌نامند، زیرا دوایر سالیانه و نیز پارانشیم های طولی بریده شده بخصوص در چوب سوزنی برگان و پهن برگان بخش روزنه‌ای به صورت مخروطی یا سهمی و آوندهای درشت بریده شده به شکل شکاف های سوزنی ریز و درشت ظاهر میشود. پره های چوبی بزرگ در این برش به شکل خط‌های تیره دوکی قابل تشخیص‌اند، ضمن اینکه نحوه آرایش آنها در این برش قابل توجه است و به عنوان عامل تشخیص گونه چوبی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
چوب برون
چوب برون، بخشی از چوب است که اطراف مغز یا چوب درون را در برگرفته و تا پوست زنده ادامه دارد. سلول‌های این بخش از چوب در تنه‌ی درخت سرپا زنده‌اند و نقش هدایت آب و املاح را به عهده دارند، در گونه هایی که چوب درون آنها با تأخیر تشکیل میشود، مقطع عرضی آنها نه از نظر رنگ و نه از نظر مقدار رطوبت تفاوتی را نشان نمی‌دهد، از این رو آنها را به عنوان گونه های چوب برونی مشخص می‌کنند.
چوب درون
به بخش دربرگیرنده‌ی مغز که اغلب به رنگ تیره بوده و از چوب برون با رنگ روشن متمایز است و هیچ سلول زنده‌ای در آن وجود ندارد، چوب درون گفته میشود. چوب درونی هنگامی آغاز میشود که پهنای چوب برون مورد نیاز به وجود آید و به شرایط خاک و اقلیم و محل استقرار درخت بستگی دارد. چوب درون نسبت به چوب برون خشک‌تر و سنگین‌تر، سخت‌تر و با دوام‌تر است و به سختی آغشته پذیر است، در نتیجه تغییراتی در ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی آن رخ می‌دهد. رنگ چوب درون نیز به عوامل شناسایی گونه های چوبی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ترکیب شیمیایی چوب
چوب به عنوان ماده‌ی خام آلی ناهمگن به طور کلی از عناصر اصلی کربن، اکسیژن، نیتروژن و ترکیبات سفیده‌ای تشکیل شده است.
تعریف فیزیکی چوب
چوب در مفهوم فیزیکیاش جسمی است غیر فشرده، شامل منافذی که بصورت منظم و نامنظم چیده شده است. این منافذ (خلل و فرج) در چوب، به وسیلهی مخلوطی از هوا و بخار آب و یا به وسیلهی آب و یا دیگر مایعات پر شده است. خلل و فرجها به لحاظ کیفیت و کمیت آب مستقر در آنها تفاوتهایی از خود نشان میدهند، در نتیجه همزمان با تغییر نسبت چوب و آب که حد و مرزهای مشخصی را به وجود میآورند، کلیهی خواص فیزیکی چوب دچار نوسان میشود.
با در نظر گرفتن این تعریف، این ماده با سایر مواد جامد دارای تفاوتهایی است که آن را ماده‌ای کاملا متمایز و منحصر به فرد می‌کند.
خواص فیزیکی چوب
خواص فیزیکی چوب به طور مستقیم در کیفیت ترمووود تاثیر دارد و هر چه خواص فیزیکی چوب بهتر باشد ترمووود بهتری خواهیم داشت.
رطوبت چوب
چوب به عنوان جسم خلل و فرج دار و از نظر شیمیایی غیر یکنواخت، ولی به جهت وجود مقادیر زیاد سلولز، ماده‌ای با رطوبت‌پذیری بالا است. به دلیل این خاصیت، چوب به گونه‌ای با محیط اطراف در ارتباط است که از هوای دربرگیرنده اش آب جذب می‌کند و یا به آن رطوبت (آب) پس می‌دهد و در درخت سرپا مقدار رطوبت چوب قبل از هر چیز به نوع چوب، سن چوب، شرایط توده‌ی جنگلی و نیز فصل سال بستگی دارد.
با توجه به فیزیولوژی درخت همانطور که گفتیم، آب از زمین و توسط جوانترین لایه های چوب برون به طرف بالا منتقل شده و مواد غذایی در پوست زنده به طرف پایین و اندام‌های مصرف کننده هدایت میشود. مجموعه این مایعات، رطوبت در درخت سرپا را تشکیل می‌دهد که مقدار آن بین 20 تا 200 درصد ماده‌ی چوب آن است.
همچنین بر اساس آزمایشات انجام شده بر روی گونه های مختلف چوب، میزان رطوبت در درخت سرپا دارای نوسانات سالیانه است. این نوسانات در پوست به مراتب محسوس‌تر از چوب است و در گونه های هم خانواده روند مشابهی دارند.
از آن جا که تقریبا کلیه خواص چوب همچون قابلیت پرداخت، قدرت گرمازایی هنگام سوزاندن، خاصیت جذب گاز هنگام ضدعفونی کردن، راندمان و کیفیت مواد سلولزی تهیه شده از چوب و نیز دوام آن در مقابل حمله‌ی قارچ به مقدار رطوبت آن بستگی دارد، اندازه‌گیری و تعیین مقدار آن از اهمیت بالایی برخوردار است. از سوی دیگر تغییرات رطوبت در چوب به مقدار زیادی تغییرات حجمی این ماده را موجب میشود. از این گذشته خشک کردن، آغشته کردن، رنگ آمیزی، خرد کردن و تغییر شکل چوب تحت تاثیر مقدار رطوبت آن است.
واکشیدگی و همکشیدگی در چوب
در زمان تماس چوب با آب، جذب آب موجب افزایش حجم شده و در نتیجه منجر به واکشیدگی در چوب میشود. با افزایش آب در فضای بین مسیل‌ها و فضای بین فیبریل‌ها، این الیاف از یکدیگر دور می‌شوند و تا حدی پیش می‌روند که به اندازه‌ی نیروی چسبندگی بین آنها برسد، در نتیجه دیوار سلول چوبی واکشیده میشود و عکس این جریان زمانی اتفاق میافتد که چوب رطوبت از دست می‌دهد. در این هنگام مسیل‌ها، میکروفیبریل ها و فیبریل ها به هم نزدیک می‌شوند و دیواره‌ی چوبی همکشیده میشود.
به طور کلی می‌توان گفت که در چوب ون در ناحیه‌ی رطوبت پذیری، تحت تأثیر رطوبت، به طور دائمی و متناوب تغییرات حجمی به وجود می‌آید که اصطلاحا بازی کردن چوب می‌نامند.
خواص حرارتی چوب
در بین خواص فیزیکی چوب، خواص حرارتی آن یعنی واکنش این ماده در برابر اثر حرارت از اهمیت قابل توجهی برخوردار است.
از آن جا که با افزایش دما، جنبش مولکولهای آن جسم افزایش مییابد، بنابراین در دمای زیاد فاصلهی بین مولکول های آن بیشتر میشود و در نتیجه انبساط خطی و حجمی اتفاق میافتد. چوب تقریبا” %50 درصد سلولز است. مولکول های زنجیر بلند سلولز به صورت بخش های کریستالی میلهای شکل با نسبت طول به عرض 10، شکل میگیرند، در نتیجه باید دامنهی نوسان مولکول ها در جهت عمود بر زنجیر، حداکثر 10 برابر بزرگتر از جهت موازی با آن باشد. به دلیل ساختار میکروسکوپی چوب، ضریب انبساط حرارتی در جهت مماسی، بزرگتر از جهت شعاعی آن است.
تغییر ابعاد چوب که در اثر تغییر دما ایجاد میشود، در مقایسه با تغییر ابعاد ناشی از همکشیدگی و واکشیدگی، کوچک است، بنابراین در بیشتر موارد، از انبساط و انقباض حرارتی چوب صرف نظر میشود. این موضوع، یعنی انبساط حرارتی پایین چوب و قابلیت هدایت حرارتی ضعیف آن، از امتیازات چوب در برابر آتش محسوب میشود. سازه‌ی چوبی بدون شکسته شدن برای مدت طولانی و قابل توجهی، بار روی خود را تحمل می‌کند، که حتی ممکن است در شرایط یکسان نسبت به تیرآهن‌های استیل برتری داشته باشد.
چوب و دیگر مواد سلولزی، به دلیل کم بودن الکترون های آزاد که عهده دار ساماندهی انتقال انرژی هستند و نیز به دلیل تخللشان، هادی ضعیف گرما هستند، به همین دلیل چوب و مواد چوبی، به عنوان عایق گرما در ساختمان سازی، بدنه‌ی یخچال، بشکه‌های چوبی مخصوص نگهداری مواد، کاربرد زیادی دارند. هدایت گرمایی در چوب با جهت جریان گرما نسبت به الیاف، دانسیته، نوع و مقدار مواد استخراجی، معایب چوب و بخصوص با رطوبت چوب، تغییر می‌کند.
به تعبیر علمی، هدایت حرارتی عبارت است از مقدار گرمایی که در واحد زمان، از ضخامت یک ماده با سطح مقطع مشخص، در شرایط اختلاف دمای یکنواخت، بین دو سطح عبور می‌کند که در جهت برش شعاعی، تقریبا 10-5 درصد بزرگتر از جهت مماسی است و در جهت طولی ( با رطوبت 6 تا 15 درصد) تقریبا 3 برابر هدایت حرارتی در جهت عمود بر الیاف است.
دانش انتقال گرما در چوب، در چوب خشک کنی و حفاظت چوب مورد توجه واقع میشود، نفوذپذیری یا ثبات هدایت حرارتی در چوب به جهت الیاف بستگی دارد. در چوب بلند، گرمادهی از انتها کافی نیست و گرما به اندازه کافی به همه جای آن نمی‌رسد، به همین دلیل بیشتر چوب های گرد باید به صورت شعاعی گرما داده شوند، در حالی که در چوب های بریده شده، گرما از دو جهت شعاعی و مماسی صورت می‌گیرد یا بسته به ابعاد سطح مقطع و جهت حلقه‌ی رویش سالیانه، ممکن است از یک جهت بیشتر باشد.
یکی دیگر از خواص حرارتی چوب، چگونگی واکنش آن به دماهای بیشتر از 100 درجه‌ی سانتیگراد است، چنانچه چوب در چنین دماهایی قرار گیرد، تجزیه و یا تخریب گرمایی آن شروع میشود. با توجه به مواد تشکیل دهنده‌ی دیواره‌ی سلول های چوبی، مقدار رطوبت و ابعاد آن و نیز مقدار اکسیژن موجود و نحوه‌ی انتقال گرما، آتش گیری آن شروع میشود. تجزیه گرمایی چوب به طور علمی از دمای 160 درجه سانتیگراد شروع شده و موجب تغییر رنگ چوب میشود. گازهایی چون co و 2co متصاعد شده و به همراه بخار آب مقداری اسید استیک، الکل متیلیک و قطران نیز موجود است. در انتهای این مرحله چنانچه به مقدار کافی اکسیژن موجود بوده و یک شعله‌ی خارجی در اختیار باشد، گازهای متصاعد شده از چوب در دمایی برابر با 230 درجه سانتیگراد شروع به سوختن می‌کنند که آن را نقطه‌ی شعله وری می‌گویند.
از این مرحله به بعد و در دمایی برابر با 260 درجه سانتیگراد چوب خود به خود و بدون شعله‌ی خارجی (جهت انتقال گرما) به سوختن خود ادامه می‌دهد که آن را نقطه‌ی سوختن یا آستانه‌ی آتش گیری می‌گویند. پس از این مرحله، چوب نیز گرما ایجاد می‌کند، گازهای co و 2co کاهش یافته، مقدار تصعید گازهای اسیدی، الکل ها و قطران به حداکثر می‌رسد و در دمایی برابر با 400 درجه‌ی سانتیگراد این گازها بدون شعله و گرمای خارجی خود به خود آتش می‌گیرد که به آن نقطه‌ی اشتعال می‌گویند. این عمل همچنان ادامه مییابد تا این که قسمت‌های عمیق تر آن تجزیه میشود و چنانچه چوب خشک باشد، دمایش آن به 180 درجه ی سانتیگراد می‌رسد، ولی در چوب های مرطوب (حدود %25) این مقدار به 1300 درجه ی سانتیگراد می‌رسد. به طور متوسط قدرت گرمازایی چوب های مختلف حدود 2700 کیلو کالری در یک کیلوگرم است. چوب پس از سوختن کامل مقدار %1 خاکستر از خود به جا می‌گذارد که در مقایسه با انواع زغال سنگ که %5- 15 خاکستر دارند، قابل چشم پوشی است.
خواص الکتریکی چوب
چوب خیلی خشک، عایق الکتریکی بسیار خوبی محسوب میشود. نظر به این که چوب می‌تواند در شرایط خیلی خشک یا حتی بهتر از آن یعنی در شرایط کاملا خشک نگهداری شود، به همین دلیل این ماده به موثرترین عایق ها، نظیر فنل فرمالدهیدها نزدیک میشود. متاسفانه با افزایش رطوبت چوب، مقاومت الکتریکی در چوب به سرعت کاهش مییابد. حتی مقدار ناچیز آب هم هدایت الکتریکی در چوب را به طور چشم‌گیری افزایش می‌دهد. چگونگی هدایت جریان الکتریسیته به حضور یون ها در چوب بستگی دارد، بنابراین هرگونه تغییر در وضعیت یون ها (تمرکز یا پراکندگی آنها) سبب تغییر در هدایت الکتریکی چوب خواهد شد.
خواص صوتی چوب
هر پدیده‌ی ارتعاشی موجی شکل که در رسانه‌های الاستیک یا اجسام الاستیک با تواتر بین 16 تا 20000 هرتز ایجاد شده و به صورت حسی دریافت شود، صدا نامیده میشود. اگر به قطعه چوبی، با چکش ضربه‌ای وارد شود، چوب با تواتر طبیعی یا طنین خود، شروع به ارتعاش می‌کند. این ارتعاش، امواج صوتی را به سمت هوای اطراف منتشر می‌کند. از آن جا که چوب یک محیط یا جسم قابل ارتجاع یا الاستیک است، قادر به ایجاد صوت و انتقال آن می‌باشد. موادی که ساختمان آنها همگن و از هر سو یکسان است، امواج صوتی را بطور منظم و یکنواخت در همه جهت منتشر می‌کنند، ولی در چوب این امواج به دلیل پدیده‌ی هر سو نایکسانی بطور دیگری انتشار مییابد و در جهت طول الیاف و در جهت عمود بر آن متفاوت است.
پدیده‌ی جذب صوت کاملا متفاوت از موضوع عایق صوتی است. عایق صوتی در مورد اجسام سنگین و غیرقابل نفوذ نسبت به هوا مطرح است، در حالی که جذب صوت در مورد اجسام سبک و متخلخل مانند فرش، پارچه های تیره، نمد، تخته‌ی فیبر عایق، تخته‌ی رشته چوب و ورقه های اکوستیک مطرح میشود. مولکول های هوا و دیوارهای خلل و فرج موجود در این مواد، سبب گرما میشود که مقدار آن بسیار کم است. در عمل تمام اجسام موجود در یک اتاق، قسمتی از صوت را جذب می‌کنند اما به منظور کاهش موثر طنین، باید از اجسام نرم متخلخل استفاده کرد، با افزایش ضخامت تخته چوب چند لایه، میزان جذب صوت افزایش مییابد، اما فقط تا ضخامت 20mm این امر صادق است. تخته‌ی رشته چوب نیز به دلیل حجم زیاد خلل و فرج در سطح آن، از ظرفیت جذب صوتی بالایی برخوردار است.
