VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Что скрывает деревянная бочка?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Презентация
• Наградные документы

Косенкова Н.В. 1

---

1МБОУ "Университетский лицей"

Трофимова С.А. 1

---

1Петрозаводский государственный университет

Работа в формате PDF

4.7 MB

---

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяДиплом участника II этапаДиплом за подготовку участника II этапаДиплом лауреата II этапаДиплом за подготовку лауреата II этапа

Введение

Известно, что деревянные бочки и лодки из дерева протекают, то есть пропускают воду. Такое случается, когда рассыхаются доски, из которых они сделаны. Если течь небольшая, можно дать бочке или лодке набухнуть в воде, тогда пропускание жидкости прекратится.

Что же происходит с древесиной, когда она контактирует с водой? Насколько увеличивается объём деревянных изделий, и от чего это зависит?

Свойства разных материалов определяют их использование. Из древесины изготавливают мебель, музыкальные инструменты, делают бумагу, строят дома. Если мы будем знать свойства и строение древесины, то сможем её использовать более эффективно.

Цель работы: изучить, что происходит с древесиной под воздействием жидкости.

Задачи работы:

Выяснить, как изменяется объём деревянных брусков, помещённых в воду и в раствор поваренной соли.

Выяснить, как изменяется масса деревянных брусков, помещённых в воду и в раствор поваренной соли.

Исследовать, как меняются объём и масса брусков при высыхании.

Изучить строение древесины под микроскопом.

1. Основная часть

1.2. Обзор литературы

Для изготовления бочек и лодок используют разные материалы, но издавна их из мастерили из доступной и дешевой древесины.

Для древесных материалов характерны следующие свойства:

высокая удельная прочность;

хорошая обрабатываемость;

надёжность соединения (склеиванием, гвоздями, шурупами);

лёгкая окрашиваемость;

способность к наполнению компонентами различного состава.

Однако древесине свойственны и существенные недостатки, а именно:

изменение физико-механических свойств в зависимости от влажности;

неоднородность строения, а следовательно, неодинаковость свойств в различных направлениях;

гигроскопичность;

склонность к гниению и поражению грибковыми заболеваниями;

повышенная горючесть.

Для повышения эксплуатационных характеристик древесину модифицируют различными физическими и химическими методами. Капиллярное строение древесины позволяет осуществлять наполнение её различными компонентами в виде растворов и расплавов синтетических смол, легкоплавких металлов и сплавов, солей и мономеров. В результате древесина приобретает свойства, не характерные для природной древесины, прежде всего высокую прочность, износостойкость, влагоустойчивость, негорючесть [4].

В работе иследовали свойства древесины сосны. Род сосна (Pinus) включает около 100 видов вечнозелёных деревьев или кустарников, распространённых в лесах умереного пояса и в горных областях субтропической зоны Северного полушария. Многие виды сосны достигают крупных размеров — свыше 50 м высотой и 2-4 м в диаметре.

Велико хозяйственное значение сосновой древесины. Она обладает высокими физико-механическими свойствами и прочностью, поэтому широко используется в виде круглых лесоматериалов и пиломатериалов, в жилищном и производственном строительстве, в судо- и вагоностроении, в мебельной промышленности; из неё изготовляют телеграфные столбы и рудничную стойку, железнодорожные шпалы. При подсочке сосны добывают живицу, из которой затем получают скипидар и канифоль. Переработка смолья и пней даёт скипидар, деготь и древесный уголь, а хвоя — витамин С и эфирное масло. Иными словами, все части дерева сосны, начиная от почек и хвои и кончая пнём и корнями, являются ценнейшим сырьём для деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, лесохимической, пищевой, медицинской и других отраслей промышленности [1].

При иследовании материалов в первую очередь описывают их физические характеристики. Масса – одна из основных физических величин, служащих базой для построения международной системы единиц СИ. Масса показывает инертность и гравитационность вещей. Измеряют массу путем сравнения с мерами массы или другими средствами измерений [3].

Важной характеристикой объектов является их объём, величина показывающая размеры пространства, занимаемого телом.

Зная массу и плотность вещества или объекта и их объём, можно рассчитать плотность. Плотность тела – физическая величина, введенная для количественного оценивания удельной инертности материалов, равна отношению массы объёма материала к занимаемому им объёму [3].

У растений древесина (ксилема) составляет стволы и корни деревьев и кустарников. Она состоит из проводящих элементов (трахеид и сосудов), волокон механической ткани и живых клеток основной ткани. По ксилеме (древесине) вода поднимается от корней ко всем органам растения.

Клеточные элементы древесины сильно вытянуты и представляют собой капилляры. Капилляр – в физике – трубка с каналом малого диаметра, уровень жидкости, в которой отличается от высоты уровня этой же жидкости в сообщающемся с ней сосуде большего диаметра. Капиллярными явлениями называют поднимание или опускание уровня жидкости в узкой трубке (капилляре), обусловленные молекулярным взаимодействием при смачивании или не смачивании жидкостью стенок трубко соответственно [3].

Благодаря капиллярным явлениям древесина поглощает и проводит воду что изменяет её массу, объём и плотность.

1.2. Методика выполнения работы

Для работы были отобраны три бруска из сосны (рис. 1). Один из брусков (контроль) не подвергался никаким воздействиям. Второй брусок поместили в водопроводную воду, третий брусок – в 10% раствор поваренной соли. Для приготовления раствора соли взяли 500 г поваренной соли на 5 л воды (рис. 2).

Рис.1. Бруски

Рис. 2. Приготовление раствора соли

Опыт продолжался в течении двух месяцев. За неделю до завершения опыта (11.02.18) бруски вытащили из воды и из раствора соли.

Раз в 2-3 дня измеряли длину, ширину и высоту брусков линейкой, и находили массу брусков с помощью бытовых весов. По произведению линейных размеров рассчитывали объём брусков.

Микроскопическое строение древесины сосны расмотрели на постоянном микропрепарате с помощью микроскопа Биолам при увеличении 10х8 и 10х40.

1.3. Результаты и их обсуждение

За два месяца бруски в воде и в растворе соли приобрели тёмно-коричневую окраску (рис. 3, 4). После высыхания бруски немного посветлели но остались более тёмными, чем брусок, который находился на воздухе (контроль).

Рис. 3. Начало опыта (бруски в воде и растворе соли)

Рис. 4. Завершение опыта

За 56 дней находившиеся в воде и в растворе соли бруски увеличились в объёме до 110 и 114 %% от исходного, соответственно (табл. 1). Масса брусков за это же время увеличилась намного больше: в воде она составила 173% от исходной, а в растворе соли – 170% (табл.2).

Таблица 1. Объём брусков (см³)

Таблица 2. Масса брусков (г)

По-видимому, жидкости (вода и раствор поваренной соли) заполняли пустое пространство внутри брусков.

При высыхании за неделю с 10 по 18 февраля масса брусков быстро уменьшилась, тогда как объём почти не изменился (табл. 1, 2).

Можно предположить, что внутренее пустое пространство брусков составляет около 60%. Его можно рассчитать по разнице между максимальным значением массы брусков в опыте и наименьшим значением массы брусков при завершении опыта. Определить объём внутреннего пространства по массе возможно, так как объём 1 грамма воды составляет 1 см ³.

По литературным данным, объём внутренних пустот (полостей клеток, межклеточных пространств) – пористость древесины сосны обыкновенной – составляет 65 - 70%%. У берёзы повислой и дуба черешчатого пористность ниже [2].

Увеличение объёма брусков на 10 — 14%%, возможно, связано с набуханием стенок растительных клеток.

Плотность древесины увеличивалась в течении опыта, но не привысила 1 г/см³, и бруски не тонули.

Таблица 3. Плотность брусков (г/см³ )

Микроскопирование древесины сосны показало, что она состоит из множества тонких трубок – трахеид (рис. 5, 6). Пространство внутри трахеид заполнялось водой и раствором соли. По-видимому, мы наблюдали капиллярные явления.

Рис. 5. Радиальный срез древесины сосны (увеличение 10 х 8)

Заключение

Рис. 6. Радиальный срез древесины сосны (увеличение 10 х 40)

Существенных различий между воздействием воды и раствора соли на бруски мы не обнаружили.

Заключение

Результаты работы показали, что объём брусков из сосны в воде и растворе соли увеличивался меньше, чем масса брусков. При высыхании объём снижался медленее, чем уменьшалась масса брусков. По-видимому, мы наблюдали разные процессы: заполнение внутренего пространства трахеид (капилляров) и набухание клеточных стенок трахеид.

С помощью микроскопа удалось обнаружить трахеиды (капилляры) в древесине сосны.

Сопоставление объёма и массы исследуемых брусков позволило рассчитать пористость древесины сосны (около 60%), которая является одним из важных показателей физических свойств древесины. Пористость древесины определяет её плотность.

Список использованных источников и литературы

1. Булыгин Н. Е. Дендрология / Н. Е. Булыгин. – Л.: Агропромиздат. Ленингр. отд-ие, 1991. – 352 с.

2. Неделина Н. Ю. Пористость и базисная плотность древесины разных типов // Научный журнал КубГАУ, № 89(05), 2013. – С. 1-10.

3. Физика. Толковый словарь школьника и студента : учеб. пособие / под ред. К. К. Гомоюнова и В. н. Козлова. – М.: Проспект, 2010. 496 с.

4. Чумаченко Ю. Т. Материаловедение и слесарное дело : учебник / Ю. Т. Чумаченко, Г. В. Чумаченко. – М.: КНОРУС, 2013. – 296 с.