A faanyag fizikai tulajdonságai

| <img src="https://data.tesuli.hu/icon/i04/i4-0037.svg" width="200"> | **A faanyag fizikai tulajdonságai** Az abszolút tömör (pórusmentes) faanyag sűrűsége: $\mathrm{m}_{0}=$ abszolút száraz tömeg; $\mathrm{V}_{\mathrm{tf}}=$ pórusmentes fa térfogata. | | ------------------------------------------------------------------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------------- | > [!summary]+ összegzés: > > A tudásmorzsa a(z) A faanyag fizikai tulajdonságai témáját mutatja be. Az abszolút tömör (pórusmentes) faanyag sűrűsége: $\mathrm{m}_{0}=$ abszolút száraz tömeg; $\mathrm{V}_{\mathrm{tf}}=$ pórusmentes fa térfogata. Az abszolút száraz állapotú $(\mathrm{U}=0 %)$ fa sűrűsége: $\mathrm{V}_{\mathrm{o}}=\mathrm{az}$ abszolút száraz állapotra kiszárított fa térfogata. ### A faanyag fizikai tulajdonságai #### A faanyag sűrűsége Az abszolút tömör (pórusmentes) faanyag sűrűsége: $ \begin{aligned} & \rho_{\mathrm{tf}}=\frac{\mathrm{m}_{0}}{\mathrm{~V}_{\mathrm{tf}}}=1,53-1,56 ; \mathrm{g} / \mathrm{cm}^{3} \\ & \left(\text { cellulóz: } 1,58 \mathrm{~g} / \mathrm{cm}^{3}\right) \\ & \left(\text { lignin: } 1,42 \mathrm{~g} / \mathrm{cm}^{3}\right) \end{aligned} $ ahol: $\mathrm{m}_{0}=$ abszolút száraz tömeg; $\mathrm{V}_{\mathrm{tf}}=$ pórusmentes fa térfogata. Az abszolút száraz állapotú $(\mathrm{U}=0 \%)$ fa sűrűsége: $ \rho_{0}=\frac{\mathrm{m}_{0}}{\mathrm{~V}_{0}} ; \mathrm{g} / \mathrm{cm}^{3} $ ahol: $\mathrm{V}_{\mathrm{o}}=\mathrm{az}$ abszolút száraz állapotra kiszárított fa térfogata. A fenti két sűrűségtípus ismeretében meghatározható az abszolút száraz fa porozitása $(P)$, mivel: $ \rho_{0}=\rho_{\mathrm{tf}}(1-\mathrm{P}) $ innen $ \mathrm{P}=1-\frac{\rho_{0}}{\rho_{\mathrm{tf}}} $ ha $\rho_{\mathrm{tf}}=1,53 \mathrm{~g} / \mathrm{cm}^{3}$, akkor: $ \mathrm{P}=1-0,653 \rho_{0} $ Vizsgálati, vagy nedves sűrűség: $ \rho_{\mathrm{n}}=\frac{\mathrm{m}_{\mathrm{n}}}{\mathrm{~V}_{\mathrm{n}}} ; \mathrm{g} / \mathrm{cm}^{3} $ ahol: $\mathrm{m}_{\mathrm{n}}$ és $\mathrm{V}_{\mathrm{n}}=\mathrm{a}$ vizsgált faanyag tömege, illetve térfogata. Légszáraz sűrűség: $ \rho=\frac{\mathrm{m}_{12}}{\mathrm{~V}_{12}} ; \mathrm{g} / \mathrm{cm}^{3} $ ahol: $\mathrm{m}_{12}$ és $\mathrm{V}_{12}=\mathrm{a}$ légszáraz állapotú ( $12 \%$ nettó nedvességtartalmú) faanyag tömege, illetve térfogata. A sűrűséget leginkább a fafaj és a nedvességtartalom befolyásolja. Néhány fontosabb fafaj sűrűségi értékeit a táblázatban mutatjuk be. A fanedvesség és a sűrűség kapcsolatát jól szemlélteti a Kollmann F. (1958) által megszerkesztett grafikon. | Fafaj | Absz. száraz, $\boldsymbol{\rho}_{\mathbf{0}}$ | Légszáraz, $\rho$ | | :--- | :--- | :--- | | | sűrűség, $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3}$ | | | Erdeifenyő | 490 | 510 | | Lucfenyő | 430 | 460 | | Duglaszfenyő | 470 | 500 | | Vörösfenyő | 550 | 580 | | Bükk | 680 | 710 | | Tölgy | 650 | 680 | | Kőris | 650 | 680 | | Akác | 720 | 760 | | Óriásnyár | 410 | 440 | | Balsa | 130 | - | | Pock | 1,230 | - | > [!caption] > Néhány fafaj sűrűsége abszolultszáraz és légszáraz állapotban <img src="https://data.tesuli.hu/picture/jegyzet/j001/j001-008.svg" width="1000" style=" width:100%; height:100%; border:7px solid #ffffff;"> > [!caption] > A faanyag sűrűségének és nedvességtartalmának kapcsolata. #### A faanyag nedvességtartalma A fa nedvességtartalma a fa valamennyi tulajdonságát jelentősen befolyásolja. Nettó nedvességtartalom: A fában lévő összes víz tömege a teljesen száraz faanyag tömegének százalékában kifejezve: $ \mathrm{U}=\frac{\mathrm{m}_{\mathrm{n}}-\mathrm{m}_{0}}{\mathrm{~m}_{0}} \cdot 100 \% $ ahol: $ \begin{aligned} & \mathrm{m}_{\mathrm{n}} \text { - nedves tömeg, } \\ & \mathrm{m}_{0} \text { - abszolút száraz tömeg } \end{aligned} $ A faanyag különböző nedvességi állapotainak gyakorlatban legfontosabb határértékei az MSZ 6786/2 szerint, nettó \%-ban: | Nedvességi állapot | $\mathrm{U}, \%$ | | :--- | :---: | | élőnedves | $\geq 50,1$ | | félnedves | $30,1-50$ | | félszáraz | $18,1-30$ | | légszáraz | $12,1-18$ | | szobaszáraz | $6,1-12$ | | túlszárított | $0-6$ | | abszolút száraz | 0 | > [!caption] > A faanyag különböző nedvességi állapotainak gyakorlatban alkalmazott megnevezése a határértékekkel **A fa nedvességtartalmának gyakorlati jelentősége** - szállításkor nagymennyiségű víz szállítása; - a víztartalom változása a faanyag alakváltozását és repedését is okozhatja; - a különböző biológiai károsítók (gombák, rovarok) fellépéséhez meghatározott fanedvességre van szükség; - a nedvességtartalom szoros kapcsolatban van a faanyag energetikai hasznosításának hatékonyságával; - a faipari műveletek többsége (mechanikai megmunkálás, ragasztás, felületkezelés) csak meghatározott fanedvesség mellett végezhető el; - a nedvességtartalom ismerete nélkülözhetetlen a szárítási, gőzölési, hajlítási és telítési technológiáknál. **Fizikai alapösszefüggések** A víz a fában két alapvető formában van jelen: - szabad víz és - kötött víz A kötött víz (a sejtfalak mikrokapillárisaiban) mennyisége függ: - az elemi rostok felületétől, - a levegő hőmérsékletétől és páratartalmától. A kiszárított faanyag a külső légnedvesség hatására ismét nedvesedik, de már az eredeti állapotának megfelelő nedvességet nem veszi fel. A faanyag egyensúlyi nedvesség-tartalmának a száradással, illetve a nedvesedéssel kialakuló értékei közötti különbsége, azonos hőmérséklet mellett ábrázolva, adja a hiszterézis görbét. A görbe egyik ága a nedvesítés, a másik ága a száradás során kialakuló egyensúlyi fanedvességeket ábrázolja. <img src="https://data.tesuli.hu/picture/jegyzet/j001/j001-009.svg" width="1000" style=" width:100%; height:100%; border:7px solid #ffffff;"> > [!caption] > A hiszterézis jelensége A nedves fa száraz levegőn nedvességet ad le. Száraz fa a nedves levegőből vizet vesz fel. Ha sem nedvességfelvétel, sem nedvességleadás nincs, a fa nedvességtartalma a levegő nedvességtartalmával ún. nedvességegyensúlyi állapotban van. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy azonos hőmérsékletű és relatív nedvességtartalmú levegőben, a száradó vagy nedvesedő faanyag - bizonyos idő eltelte után - mindig egy és ugyanazon nedvességtartalomra áll be. Minden hőmérséklethez és relatív légnedvességhez tartozik egy - a fafajnak megfelelő - egyensúlyi nedvességtartalom. Fenyők egyensúlyi nedvességtartalmát foglalja össze $20^{\circ} \mathrm{C}$ hőmérsékleten, a levegő nedvességtartalmának függvényében, a táblázat. A $100 \%$ relatív légnedvességnél a max. érték: rosttelítettségi pont: $\cong 30 \%$ fa-nedvességi értéknek felel meg. | Fafaj | A fa nedvességtartalma, ha a relatív légnedvesség, % | | | | | | | | | | | | ---------- | ---------------------------------------------------- | --- | --- | --- | --- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | | | 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | 90% | 100% | | Lucfenyő | A | 3,5 | 5,5 | 7,5 | 8,5 | 10,0 | 11,5 | 12,5 | 15,0 | 19,0 | 29,0 | | | B | 3,5 | 6,0 | 8,0 | 9,5 | 11,0 | 12,5 | 14,0 | 16,0 | 19,5 | 29,0 | | Erdeifenyő | A | 3,5 | 5,3 | 6,6 | 7,5 | 7,8 | 10,5 | 12,0 | 14,5 | 18,5 | 30,0 | | | B | 3,5 | 5,5 | 7,7 | 9,5 | 10,5 | 12,0 | 13,5 | 16,0 | 19,5 | 30,0 | > [!caption] > Fenyők egyensúlyi nedvességtartalma $20^{\circ} \mathrm{C}$-on, a levegő nedvességtartalmának függvényében A: egyensúlyi fanedvesség nedvesedéskor B: egyensúlyi fanedvesség száradáskor Az egyensúlyi fanedvesség értéke számítással az alábbi összefüggésel határozható meg: $ \mathrm{M}=\frac{1800}{\mathrm{~W}}\left[\frac{\mathrm{Kh}}{1-\mathrm{Kh}}+\frac{\mathrm{K}_{1} \mathrm{Kh}+2 \mathrm{~K}_{1} \mathrm{~K}_{2} \mathrm{~K}^{2} \mathrm{~h}^{2}}{1+\mathrm{K}_{1} \mathrm{Kh}+\mathrm{K}_{1} \mathrm{~K}_{2} \mathrm{~K}^{2} \mathrm{H}^{2}}\right] $ ahol: $ \begin{aligned} & \mathrm{W}=349+1,29 \mathrm{~T}+0,0134 \mathrm{~T}^{2}, \\ & \mathrm{~K}=0,805+0,000736 \mathrm{~T}-0,00000273 \mathrm{~T}^{2}, \\ & \mathrm{~K}_{1}=6,27-0,00938 \mathrm{~T}-0,000303 \mathrm{~T}^{2}, \\ & \mathrm{~K}_{2}=1,91+0,0407 \mathrm{~T}-0,000293 \mathrm{~T}^{2} \end{aligned} $ $\mathrm{T}=$ hőmérséklet, ${ }^{\circ} \mathrm{C}$; $\mathrm{h}=$ relatív páratartalom (tizedekben kifejezve); $\mathrm{M}=$ egyensúlyi fanedvesség, \%. A szabad víz mennyisége elsősorban a pórustérfogattól függ. A kötött- és a szabad víz felvételét az idő függvényében az ábrán mutatjuk be. <img src="https://data.tesuli.hu/picture/jegyzet/j001/j001-010.svg" width="1000" style=" width:100%; height:100%; border:7px solid #ffffff;"> > [!caption] > A természetes faanyag légnedvesség (kötött víz)- és víz (szabad víz) felvétele a; légnedvesség (kötött víz); b; szabad víz A nedvességtartalom - változás következményei A rosttelítettségi határ alatti nedvességváltozás csökkenti vagy növeli a sejtfalon belül az elemi rostok egymástól való távolságát, s ezáltal a fatest méretei változnak, a faanyag zsugorodik, illetve dagad. Térfogati zsugorodás: $ \mathrm{Z}=\frac{\mathrm{V}_{\mathrm{n}}-\mathrm{V}_{0}}{\mathrm{~V}_{\mathrm{n}}} \cdot 100 \% $ Térfogati dagadás: $ \mathrm{d}=\frac{\mathrm{V}_{\mathrm{n}}-\mathrm{V}_{0}}{\mathrm{~V}_{0}} \cdot 100 \% $ Zsugorodás-dagadás kapcsolata: $ Z=\frac{d}{1+0,01 d} \quad d=\frac{Z}{1-0,01 Z} $ ahol: $\mathrm{Z}=\mathrm{a}$ térfogati zsugorodás \%- ban, $\mathrm{d}=\mathrm{a}$ térfogati dagadás \%- ban, $\mathrm{V}_{\mathrm{n}}=\mathrm{a}$ rosttelítettséget meghaladó nedvességű faanyag térfogata, $\mathrm{V}_{\mathrm{o}}=\mathrm{az}$ abszolút száraz állapotú faanyag térfogata. A térfogati (Z), a húrirányú ($\mathrm{Z}_{\mathrm{h}}$,) a sugárirányú ($\mathrm{Z}_{\mathrm{s}}$,) és a rost-irányú ($\mathrm{Z}_{\mathrm{r}}$) zsugorodások arányai: $ \mathrm{Z}: \mathrm{Z}_{\mathrm{h}}: \mathrm{Z}_{\mathrm{s}}: \mathrm{Z}_{\mathrm{r}} 1,00: 0,63: 0,34: 0,03 $ A gyakorlati számításokhoz alkalmazható zsugorodási együtthatók: $ \mathrm{K}_{\mathrm{z}}=\frac{\mathrm{Z}}{\mathrm{U}_{\mathrm{rt}}} $ ahol: $ \begin{aligned} & \mathrm{U}_{\mathrm{rt}}=\text { rosttelítettségi határ, } \\ & \mathrm{K}_{\mathrm{z}}=\text { zsugorodási együttható ( } 1 \% \text { nedvességváltozásra vonatkoztatva) } \end{aligned} $ Egy fa alkatrész lineáris méretváltozása az alábbi összefüggéssel számítható: $ \Delta \mathrm{L}=\mathrm{K}_{\mathrm{z}} \cdot(\Delta \mathrm{U}) \cdot \frac{\mathrm{L}}{100} $ ahol: $ \begin{aligned} \Delta \mathrm{L}= & \text { nedvességváltozás utáni méretváltozás }(\mathrm{mm}) ; \\ \mathrm{K}_{\mathrm{z}}= & \begin{array}{l} \text { zsugorodási együttható }=\text { az } 1 \% \text { nedvességyáltozás hatására } \\ \\ \text { bekövetkező méretváltozási százalék }(\% / \%), \end{array} \\ \Delta \mathrm{U}= & \text { a faanyag nedvességváltozása }(\%), \\ \mathrm{L}= & \text { a faanyag mérete a nedvességváltozás előtt }(\mathrm{mm}). \end{aligned} $ Néhány fontosabb fafaj zsugorodási jellemzőit (Z) és zsugorodási együtthatóit (K) a táblázatban összegezzük. | Fafaj | $\mathbf{Z}_{\mathbf{r}}$ | $\mathbf{Z}_{\mathbf{s}}$ | $\mathbf{Z}_{\mathbf{h}}$ | $\mathbf{Z}_{\text {térfogati }}$ | $\mathbf{K}_{\mathbf{s}}$ | $\mathbf{K}_{\mathbf{h}}$ | $\mathbf{K}_{\text {térfogati }}$ | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | Erdeifenyő | 0,4 | 0,4 | 7,7 | 12,1 | 0,13 | 0,26 | 0,40 | | Lucfenyő | 0,3 | 3,6 | 7,7 | 11,5 | 0,12 | 0,26 | 0,40 | | Vörösfenyő | 0,3 | 3,3 | 7,8 | 11,4 | 0,11 | 0,26 | 0,38 | | Tölgy | 0,7 | 3,0 | 8,2 | 12,9 | 0,12 | 0,33 | 0,51 | | Akác | 0,4 | 3,9 | 5,8 | 10,1 | 0,15 | 0,23 | 0,40 | | Bükk | 0,3 | 5,8 | 11,8 | 17,9 | 0,19 | 0,39 | 0,60 | | Nyár | 0,5 | 4,5 | 8,0 | 13,0 | 0,15 | 0,27 | 0,43 | > [!caption] > Néhány fontosabb fafaj zsugorodási jellemzője és zsugorodási együtthatója #### A faanyag hőtechnikai tulajdonságai Hőtágulás. A faanyag hő hatására bekövetkező méretváltozása. A fa hőtágulása igen kedvező ( $3-4$-szer kisebb az acélénál). A gyakorlatban a fa hőtágulását csak különleges esetekben veszik figyelembe. A fa hőtágulási együtthatójának értéke jelentősen függ az anatómiai irányoktól: $ \begin{aligned} & \alpha_{r o s t}=(2,5-5,4) \cdot 10^{-6} \\ & \alpha_{\text {sugár }}=(15-35) \cdot 10^{-6} \\ & \alpha_{\text {hir }}=(24-75) \cdot 10^{-6} \end{aligned} $ A fajhő az a hőmennyiség, amely egységnyi tömegű test hőmérsékletének $1^{\circ} \mathrm{C}$-kal való felemeléséhez szükséges (kJ/kg K). $ \mathrm{c}=\frac{111,7+0,487 \cdot \mathrm{t}+4,187 \cdot \mathrm{U}}{100+\mathrm{U}} ; \mathrm{kJ} / \mathrm{kgK} $ A különböző fafajok fajhője csak kismértékben tér el egymástól, de ugyanakkor függ a faanyag mindenkori nedvességtartalmától és aktuális hőmérsékletétől. Ezért célszerű diagramokat alkalmazni. <img src="https://data.tesuli.hu/picture/jegyzet/j001/j001-011.svg" width="1000" style=" width:100%; height:100%; border:7px solid #ffffff;"> > [!caption] > Közepes fajhő a hőmérséklet és nedvességtartalom függvényében A hőnek a faanyagban való terjedése - a hővezetési és - a hődiffúziós tényezővel jellemezhető: A hővezetési tényező a faanyag hővezető képességére, a hőáramlás intenzitására jellemző szám. A hővezetési tényező az alábbi összefüggéssel fejezhető ki: $ \lambda=\frac{\mathrm{Q} \cdot \mathrm{x}}{\mathrm{~A} \cdot \Delta \mathrm{t}} ; \mathrm{W} / \mathrm{mK} $ ahol: Q - egységnyi idő alatt átáramló hőmennyiség, $\mathrm{A}-\mathrm{a}$ faanyag felülete, $\Delta \mathrm{t}-\mathrm{a}$ két szemben fekvő felület közötti hőmérséklet- különbség, $\mathrm{x}-\mathrm{a}$ két felület távolsága. Néhány fafaj és egyéb anyag hővezetési tényezője a táblázatban található. | Fafaj | Térfogatsúly kg/m³ | Víztartalom % | rostirányban $\lambda_r$ | sugárirányban $\lambda_s$ | húrirányban $\lambda_h$ | | ----------------------- | ------------------ | ------------- | ------------------------ | ------------------------- | ----------------------- | | Lucfenyő | 410 | 16 | 0,1908 | 0,1044 | 0,0900 | | Jegenyefenyő | 450 | 15 | – | 0,092 | 0,092 | | Duglaszfenyő | 450 | 15 | – | 0,087 | 0,092 | | Kőris | 740 | 15 | 0,2628 | 0,1404 | 0,1512 | | Dió | 650 | 12 | 0,2844 | 0,1260 | 0,1188 | | Hegyi juhar | 630 | 15 | 0,370 | 0,137 | 0,156 | | Tölgy | 690 | 15 | 0,21–0,30 | 0,137 | 0,155 | | Balsa | 160 | 15 | – | 0,042 | 0,066 | | Nyír | 650 | 15 | – | 0,114 | 0,135 | | Mahagóni | 700 | 15 | 0,26644 | 0,1440 | 0,1332 | | Okumé | 430 | 12 | – | 0,090 | 0,092 | | Farostlemez – szigetelő | – | 12 | 0,05–0,07 | 0,05–0,07 | 0,05–0,07 | | Farostlemez – félkemény | – | 12 | 0,07–0,19 | 0,07–0,19 | 0,07–0,19 | | Farostlemez – kemény | – | 12 | 0,14–0,20 | 0,14–0,20 | 0,14–0,20 | | Forgácslap | 550–850 | 10 | 0,04–0,12 | 0,04–0,12 | 0,04–0,12 | > [!caption] > Néhány fafaj és egyéb anyag hővezetési tényezője A hődiffúziós tényező az anyagban a hővezetés sebességére, illetve az egyenetlen hőmérséklet-eloszlás kiegyenlítődésének sebességére jellemző szám. A hődiffúziós tényező értéke függ a faanyag hővezetési tényezőjétől, a fa sűrűségétől és a fajhőtől. $ \mathrm{a}=\frac{\lambda}{\mathrm{c} \cdot \rho} ; \mathrm{m}^{2} / \mathrm{s} $ ahol: $ \begin{aligned} & \lambda \text { - hővezetési tényező }[\mathrm{W} / \mathrm{m} \mathrm{~K}] ; \\ & \mathrm{c} \text { - fajhő }[\mathrm{kJ} / \mathrm{kg} \mathrm{~K}] ; \\ & \rho \text { - súrűség }\left[\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3}\right]. \end{aligned} $ A különböző fafajok hődiffúziós tényezői az ábrán láthatók. <img src="https://data.tesuli.hu/picture/jegyzet/j001/j001-012.svg" width="1000" style=" width:100%; height:100%; border:7px solid #ffffff;"> > [!caption] > Különböző fafajok radiális irányban mért hődiffúziós tényezői a hőmérséklet és a nedvességtartalom függvényében; a- bükk, b- tölgy, c-kőris, d- nyír, e- luc, jegenyefenyő, f- erdeifenyő A hődiffúziós tényezőnek fontos szerepe van az instacioner termikus folyamatok leírásánál. A gyakorlatban a különböző hőkezelések és gőzölések, valamint a hőprések hatásidejének (présidő) számításához és a faanyag belsejében kialakuló hőmérsékletmező meghatározásához alkalmazzuk a hődiffúziós tényezőt. A faanyag égésjellemzői: - termikus bomlás: $150-350^{\circ} \mathrm{C}$, (a gázok eltávozásával kezdődik és a fa öngyulladásával fejeződik be), - lobbanáspont: $220-260^{\circ} \mathrm{C}$, (külső láng hatására a gázok lángra lobbannak), - égési pont: $260-290^{\circ} \mathrm{C}$, (az anyag önállóan tartósan égni kezd), - gyulladási pont: $350-470^{\circ} \mathrm{C}$, (a faanyagból távozó gázok önmaguktól meggyulladnak). #### A faanyag akusztikai tulajdonságai A faanyagok hangtani tulajdonságainak gyakorlati jelentősége: - épületek, burkolatok, lég- és testhang gátlása, - hangszerek gyártása és - a hangtani jelenségeken alapuló roncsolásmentes anyagvizsgálatok. A hanghullámok terjedési sebessége $ \mathrm{c}=\sqrt{\frac{\mathrm{E}}{\rho}} ; \mathrm{m} / \mathrm{s} $ ahol: $ \begin{aligned} & \mathrm{E}=\text { rugalmassági modulus, } \mathrm{Pa} ; \\ & \rho=\text { sűrűség, kg/m3 } \end{aligned} $ A hang terjedési sebességét (fában, vízben, levegőben) a táblázatban mutatjuk be. | Fafaj, anyag | Rostirányban | Sugárirányban | Húr-irányban | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Lucfenyő | 5500 | 1200 | 800 | | Erdeifenyő | 5030 | 1450 | 850 | | Tölgy | 4175 | 1665 | 1400 | | Víz | 1435 | | | | Levegő | 333 | | | > [!caption] > A hang terjedési sebessége fában, vízben, levegőben, $\mathrm{m} / \mathrm{s}$ egységben kifejezve A hangforrások által kibocsátott hangenergia a levegőben léghangként vagy mechanikai igénybevételeknek kitett szerkezeteknél test(láb)hangként terjed. A léghanggátlás jellemzőinek ismerete fontos a válaszfalaknál, az ajtóablakszerkezeteknél; a testhanggátlásé pedig a padlóburkolatoknál, illetve a padlószerkezeteknél. A természetes faanyag nem tekinthető jó hangszigetelőnek, mivel a közepes ( 500 körüli) frekvenciaszámú hangoknak csak $3-20 \%$ át nyeli el; pl. egy 3 cm vastag erdeifenyő deszka mindössze $12 \mathrm{~dB}-\mathrm{t}$ (egy válaszfalnak $40 \mathrm{~dB}-\mathrm{t}$ kell elnyelni). Ezzel szemben a fagyapotból készült Heraklit - lemez hangelnyelési foka $0,8-0,9(80-90 \%)$. Rezonancia fa alatt olyan faanyagot értünk, amely felerősíti a mechanikai rezgések által ébredő hangokat és azoknak megfelelő hangszínt biztosít (a hangszerben lévő húr mechanikai energiáinak $3-5 \%$-a megy át a fába hangenergiaként). A hangszerfák minősége akusztikai állandóval $\left(\mathrm{K}_{\mathrm{A}}\right)$ jellemezhető: $ \mathrm{K}_{\mathrm{A}}=\sqrt{\frac{\mathrm{E}}{\rho^{3}}} \mathrm{~m}^{4} / \mathrm{kg} \cdot \mathrm{~s} $ Néhány fafaj akusztikai állandója: $ \mathrm{K}_{\mathrm{A}(\text { lúcfenyő })}: 12 ; \mathrm{K}_{\mathrm{A}(\text { erdeifenyő) }}: 11 ; \mathrm{K}_{\mathrm{A}(\text { bükk })}: 6 \quad \mathrm{~m}^{4} \mathrm{~kg} \cdot \mathrm{~s} $ A jó hangszerfánál fontos az egyenletes, keskeny évgyűrűszerkezet, a késői pászta alacsony aránya és a göcsmentesség. Az akusztikai tulajdonságokat a frekvencia, a fafaj, a sűrűség, a nedvességtartalom, a hőmérséklet, a gyantatartalom, a göcsösség és a szöveti homogenitás jelentősen befolyásolja. #### A faanyag elektromos tulajdonságai A faanyag elektromos tulajdonságainak gyakorlati jelentősége: elektromos fa nedvesség mérése, nagyfrekvenciás melegítés, szárítás, ragasztás elektromos lakkszórás és elektromos szigetelés alkalmával. A fajlagos (térfogati) ellenállás: $ \rho=\frac{\mathrm{R} \cdot \mathrm{~A}}{1} \quad \Omega \mathrm{~cm} $ ahol: $\mathrm{R}=\mathrm{a}$ mintadarab ellenállása, $\Omega$ $\mathrm{A}=$ keresztmetszet, $\mathrm{m}^{2}$ 1 =az anyag hossza, m $\left(\mathrm{Az} \rho_{(\mathrm{fa})}=10^{17}-10^{18} \Omega \mathrm{~cm} \Rightarrow\right.$ a fa jó elektromos szigetelő!) A fajlagos ellenállás reciprokát fajlagos vezetőképességnek $\left(\kappa=\frac{1}{\rho} ; \quad \frac{1}{\Omega \cdot \mathrm{~m}}\right)$ nevezzük. A nedvességtartalom a fajlagos ellenállásnál alapvető szerepet játszik. Ezt mutatja a következő táblázat melyben a nyír fajlagos vezetése van feltüntetve néhány nedveségtartalom esetén. | Nedvességtartalom, U (\%) | Fajlagos ellenállás, $\rho(\Omega \mathrm{cm})$ | | :--- | :--- | | 0 | $5,1 \cdot 10^{16}$ | | 8 | $4,2 \cdot 10^{10}$ | | 20 | $1,0 \cdot 10^{8}$ | | 30 | $1,0 \cdot 10^{5}$ | > [!caption] > A nyír fajlagos vezetése néhány nedvességtartalom esetén A villamos átütési szilárdság (elektromos): az a feszültség melyet a fa elektromos átütés nélkül képes elviselni. $ \mathrm{E}=\frac{\mathrm{U}}{\mathrm{~d}} \mathrm{kV} / \mathrm{mm} $ ahol: $\mathrm{U}=\mathrm{az}$ átütési feszültség, kV ; $\mathrm{d}=\mathrm{a}$ faanyag vastagsága, mm. Az átütési szilárdság a fafaj, a rostirány és a nedvességtartalom függvényében változik. A erdeifenyőnél $\mathrm{U}=0 \%$ - nál 7,$2 ; \mathrm{U}=33 \%-$ nál $10,5 \mathrm{kV} / \mathrm{mm}$ az átütési szilárdság értéke (Dr. Molnár S.; Varga F.-né dr. (1998)). Más szakirodalmi adatok szerint (Dr. Kurt K. (1954)) ez az érték (fafajtól és rostiránytól függetlenül) $\mathrm{U}=15 \%-$ nál $5,4-5,6 \mathrm{kV} / \mathrm{mm}$. A dielektromos állandó ($\varepsilon$) az a viszonyszám, amely megmutatja, hogy egy kondenzátor kapacitása hányszorosára növekszik, ha a levegő helyett egy adott szigetelőanyagot helyeznek a lemezei közé. $ \varepsilon=\frac{\mathrm{c}_{\mathrm{fa}}}{\mathrm{c}_{\text {levegő }}} $ ahol: $\mathrm{c}_{\mathrm{fa}}-\mathrm{a}$ kondenzátor kapacitása, ha lemezei között fa van $\mathrm{c}_{\text {levegő }}-\mathrm{a}$ kondenzátor kapacitása, ha lemezei között levegő van A fa dielektromos állandóját a frekvencia, a fafaj, a sűrűség, az anatómiai irány és a nedvességtartalom befolyásolja. A táblázatban néhány anyag dielektromos állandója található (Kovács Illés szerint) | Anyagmegnevezés | $\varepsilon$ | | :--- | :--- | | Levegő (légüres tér) | 1,0 | | Papír | 2,0 | | Alkohol | 25,0 | | Víz | 80,6 | | Bükk absz. száraz rostokkal \|\| | 2,6 | | Bükk absz. száraz rostokkal ⟂ | 3,6 | | Tölgy absz. száraz rostokkal \|\| | 2,0 | | Tölgy absz. száraz rostokkal ⟂ | 3,6 | > [!caption] > Néhány anyag dielektromos állandója A különböző fafajokkal végzett kísérletek szerint a frekvencia növelésével a dielektromos állandó csökken. Ezt bizonyítják a táblázat adatai is (L M. Kovaljcsuk), ahol a 8-12 \% nedvességtartalmú fenyő frekvenciától függő elektromos tulajdonságai találhatók. | Frekvencia, MHz | Dielektromos állandó, $\varepsilon$ | A veszteségi szög tangese, $\operatorname{tg} \delta$ | Veszteségi faktor, $\mathrm{K}=\varepsilon \cdot \operatorname{tg} \delta$ | | :--- | :--- | :--- | :--- | | 2 | 2,6 | 0,041 | 0,107 | | 5 | 2,5 | 0,042 | 0,105 | | 10 | 2,4 | 0,046 | 0,110 | | 20 | 2,0 | 0,051 | 0,117 | > [!caption] > A frekvencia függvényében a dielektromos állandó, a veszteségi szög tangense és a veszteségi faktor A dielektromos állandó csak kismértékben függ a fafajtól, mivel a különböző összetételű fafajok kémiai összetétele - eltekintve az ásványi sóktól és a fa egyéb anyagaitól - nagyjából azonosak. | Sűrűség, $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3}$ | Dielektromos állandó, $\varepsilon$ | | | | | | :-------------------------------------- | :---------------------------------- | :--- | :--- | :--- | :--- | | | Nedvességtartalom, \% | | | | | | | 0 % | 5 % | 10 % | 15 % | 20 % | | 200 | 1,45 | 1,65 | 1,90 | 2,10 | 2,55 | | 400 | 1,85 | 2,20 | 2,75 | 3,30 | 4,00 | | 600 | 2,25 | 2,85 | 3,50 | 4,50 | 5,45 | | 800 | 2,70 | 3,45 | 4,50 | 5,70 | 6,95 | | 100 | 3,20 | 3,95 | 5,35 | 7,00 | - | | 1200 | 3,60 | 4,65 | 6,25 | - | - | | 1400 | 4,00 | - | - | - | - | > [!caption] > A dielektromos állandó változása a sűrűség és a nedvességtartalom függvényében A szöveti felépítést illetően döntő mértékben a sa sűrűsége, szöveti tömörsége befolyásolja a dielektromos állandót, és pedig úgy, hogy a sűrűség növekedésével nő a dielektromos állandó, természetesen azonos nedvesség-tartalom mellett. | Jellemzők | fenyő | bükk | |-----------|-------|------| | Sűrűség, g/cm³ | 0,55 | 0,70 | | Dielektr. állandó, ε | 8,2 | 9,4 | | tgδ (10 MHz) | 0,059 | 0,058 | > [!caption] > 15 \% nedvességtartalmú fenyő és bükk dielektromos állandója és $\operatorname{tg} \delta$-ja A $15 \%$ nedvességtartalmú fenyő és bükk elektromos tulajdonságai a táblázatban találhatók (LM. Kovaljcsuk szerint). | Fafaj | Dielektromos állandó, $\varepsilon$ | | | | :---: | :---: | :---: | :---: | | | rostirányban | sugárirányban | húrirányban | | Lucfenyő | 3,06 | 1,98 | 1,91 | | Bükk | 3,18 | 2,20 | 2,40 | | Tölgy | 2,86 | 2,30 | 2,46 | > [!caption] > A dielektromos állandó és az anatómiai irányok kapcsolata A dielektromos állandó és az anatómiai irányok kapcsolatát a táblázat adatai szemléltetik (Kovács Illés szerint). A dielektromos veszteségi tényező $(\operatorname{tg} \delta)$ a vesztességi szög tangense. A fa a rákapcsolt elektródokkal együtt úgy tekinthető, mint egy veszteséges kondenzátor. Ez a veszteséges kondenzátor helyettesíthető egy abszolút veszteségmentes kondenzátorral és egy vele párhuzamosan kapcsolt ohmikus ellenállással. Ezen az ellenálláson fellépő veszteség felel meg a dielektromos veszteségnek. $ \operatorname{tg} \delta=\frac{\mathrm{I}_{\mathrm{R}}}{\mathrm{I}_{\mathrm{C}}} $ <img src="https://data.tesuli.hu/picture/jegyzet/j001/j001-013.svg" width="1000" style=" width:100%; height:100%; border:7px solid #ffffff;"> <img src="https://data.tesuli.hu/picture/jegyzet/j001/j001-014.svg" width="1000" style=" width:100%; height:100%; border:7px solid #ffffff;"> > [!caption] > A kondenzátort és az ohmikus ellenállást tartalmazó áramkör valamint a töltőáram és a veszteségi áram közötti kapcsolat vektorábrája E- elektromos térerősség $(V) ; I_{\mathrm{c}}-$ a polarizációs áramerősség $(A) ; I_{\mathrm{r}}-$ a vesztességi áramerősség; $\mathrm{I}_{\mathrm{t}}-\mathrm{az}$ eredő áramerősség; $\varphi-\mathrm{a}$ fázisszög; $\delta-\mathrm{a}$ veszteségi szög. A dielektromos veszteségi tényező és a frekvencia közötti összefüggés meglehetősen bonyolult, mivel nagymértékben függ a frekvenciatartománytól; a frekvencia növekedésével $(2-20 \mathrm{MHz}$ tartományban) a veszteségi tényező is növekszik. | Fafaj | Dielektromos veszteségtényező, $\operatorname{tg} \delta$ | | | | | | | | :------------- | :-------------------------------------------------------: | :-----------: | :-----------: | :-----------: | :-----------: | :-------------: | :-------------: | | | Nedvességtartalom, \% | | | | | | | | | $\mathbf{0}$% | $\mathbf{2}$% | $\mathbf{4}$% | $\mathbf{6}$% | $\mathbf{8}$% | $\mathbf{1 0}$% | $\mathbf{1 2}$% | | Tölgy | 0,025 | 0,025 | 0,045 | 0,15 | 0,31 | 0,52 | - | | Bükk | 0,02 | 0,02 | 0,03 | 0,12 | 0,24 | 0,38 | - | | Pinus echianta | 0,01 | 0,01 | 0,02 | 0,09 | 0,21 | 0,35 | 0,50 | > [!caption] > A dielektromos vesztességi tényező néhány fafaj és a nedvességtartalom esetén A dielektromos vesztességi tényező értékei a fafaj és a nedvességtartalom függvényében a táblázatban láthatók (Kovács Illés szerint). | Fafaj | A dielektromos tényező max. értéke, $\operatorname{tg} \delta \cdot 10^{-4}$ | | | | :--- | :---: | :---: | :---: | | | Rostirányban | Sugárirányban | Húrirányban | | Lucfenyő | 625 | 345 | 310 | | Bükk | 585 | 298 | 319 | | Tölgy | 465 | 285 | 325 | > [!caption] > A dielektromos tényező vesztességi az anatómiai irányokban néhány fafaj esetén A dielektromos veszteségi tényező - a különböző anatómiai irányoktól függő változását a táblázat szemlélteti. **A fa teljesítménytényezője $\cos \varphi:$** $ \cos \varphi=\frac{I_{r}}{I_{t}} $ Fánál a $\cos \varphi$ értéke $\leq 0.1$ > [!summary]- kompetenciák > | | | > |---|---| > | <img src="https://data.tesuli.hu/icon/k00/tf-komp.svg" style="width:50px; height:50px; display:block;">[[n0.01665]] | **A faanyag fizikai tulajdonságai szakmai értelmezése** A hallgató képes a(z) A faanyag fizikai tulajdonságai fő fogalmait, jellemzőit és alkalmazási következményeit felismerni és röviden megmagyarázni. | > > [!summary]- hivatkozás > #Szabó_Imre, #date_2009, #Faanyagok_alkalmazástechnikája