Что скрывает деревянная бочка?

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Что скрывает деревянная бочка?

Косенкова Н.В. 1
1МБОУ "Университетский лицей"
Трофимова С.А. 1
1Петрозаводский государственный университет
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

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)

Дата

Воздух

(контроль)

Вода

Раствор соли

18.12.17

560 (100%)

419 (100%)

410 (100%)

11.02.18

560 (100%)

461 (110%)

466 (114%)

18.02.18

560 (100%)

447 (107%)

442 (108%)

Таблица 2. Масса брусков (г)

Дата

Воздух

(контроль)

Вода

Раствор соли

18.12.17

327 (100%)

230 (100%)

255 (100%)

11.02.18

328 (100%)

397 (173%)

433 (170%)

18.02.18

327 (100%)

253 (110%)

290 (114%)

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 )

Дата

Воздух

(контроль)

Вода

Раствор соли

18.12.17

0.58

0.55

0.62

11.02.18

0.59

0.86

0.93

18.02.18

0.58

0.57

0.66

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.

Просмотров работы: 39