A zsugorodási viszonyszám, illetve százalék Keylwerth - féle képletének levezetése

Hasonló dokumentumok
A fűrészáru száradása miatt fellépő méret - és alakváltozása meghatározásának egy újabb módszeréről

Aszimmetrikus nyeregtető ~ feladat 2.

A főtengelyproblémához

Ellipszis vezérgörbéjű ferde kúp felszínének meghatározásához

Egy újabb térmértani feladat. Az [ 1 ] könyvben az interneten találtuk az alábbi érdekes feladatot is 1. ábra.

így a megváltozott hossza: tehát: ( 1 )

Egy mozgástani feladat

Fiók ferde betolása. A hűtőszekrényünk ajtajának és kihúzott fiókjának érintkezése ihlette az alábbi feladatot. Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

Egy kinematikai feladat

A gúla ~ projekthez 2. rész

Az egyenes ellipszishenger ferde síkmetszeteiről

Az R forgató mátrix [ 1 ] - beli képleteinek levezetése: I. rész

Egy általánosabb súrlódásos alapfeladat

Egy sík és a koordinátasíkok metszésvonalainak meghatározása

Egy forgáskúp metszéséről. Egy forgáskúpot az 1. ábra szerint helyeztünk el egy ( OXYZ ) derékszögű koordináta - rendszerben.

Az elforgatott ellipszisbe írható legnagyobb területű téglalapról

Rugalmas láncgörbe alapvető összefüggések és tudnivalók I. rész

Egy érdekes nyeregtetőről

Ismét a fahengeres keresztmetszetű gerenda témájáról. 1. ábra forrása: [ 1 ]

Poncelet egy tételéről

További adalékok a merőleges axonometriához

Néhány véges trigonometriai összegről. Határozzuk meg az alábbi véges összegek értékét!, ( 1 ) ( 2 )

Érdekes geometriai számítások Téma: A kardáncsukló kinematikai alapegyenletének levezetése gömbháromszögtani alapon

A bifiláris felfüggesztésű rúd mozgásáról

Ellipszis átszelése. 1. ábra

Egy érdekes statikai - geometriai feladat

Az elliptikus hengerre írt csavarvonalról

Egy másik érdekes feladat. A feladat

A tűzfalakkal lezárt nyeregtető feladatához

Egy sajátos ábrázolási feladatról

Az eltérő hajlású szarufák és a taréjszelemen kapcsolatáról 1. rész. Eltérő keresztmetszet - magasságú szarufák esete

Érdekes geometriai számítások 10.

Forogj! Az [ 1 ] munkában találtunk egy feladatot, ami beindította a HD - készítési folyamatokat. Eredményei alább olvashatók. 1.

1. ábra forrása: [ 1 ]

Egy geometriai szélsőérték - feladat

Fa rudak forgatása II.

A magától becsukódó ajtó működéséről

Egy újabb látószög - feladat

Egy általános helyzetű lekerekített sarkú téglalap paraméteres egyenletrendszere. Az egyenletek felírása

A szabályos sokszögek közelítő szerkesztéséhez

A Lenz - vektorról. Ha jól emlékszem, először [ 1 ] - ben találkoztam a címbeli fogalommal 1. ábra.

Fénypont a falon Feladat

Egy variátor - feladat. Az [ 1 ] feladatgyűjteményben találtuk az alábbi feladatot. Most ezt dolgozzuk fel. Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

Két körhenger általánosabban ( Alkalmazzuk a vektoralgebrát! ) 1. ábra

Vonatablakon át. A szabadvezeték alakjának leírása. 1. ábra

Végein függesztett rúd egyensúlyi helyzete. Az interneten találtuk az [ 1 ] munkát, benne az alábbi érdekes feladatot 1. ábra. Most erről lesz szó.

t, u v. u v t A kúpra írt csavarvonalról I. rész

A gúla ~ projekthez 1. rész

A kör és ellipszis csavarmozgása során keletkező felületekről

A hordófelület síkmetszeteiről

A loxodrómáról. Előző írásunkban melynek címe: A Gudermann - függvényről szó esett a Mercator - vetületről,illetve az ezen alapuló térképről 1. ábra.

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

A merőleges axonometria néhány régi - új összefüggéséről

A Cassini - görbékről

Egy kérdés: merre folyik le az esővíz az úttestről? Ezt a kérdést az után tettük fel magunknak, hogy megláttuk az 1. ábrát.

Az ötszög keresztmetszetű élszarufa keresztmetszeti jellemzőiről

Egy felszínszámítási feladat a tompaélű fagerendák témaköréből

Kosárra dobás I. Egy érdekes feladattal találkoztunk [ 1 ] - ben, ahol ezt szerkesztéssel oldották meg. Most itt számítással oldjuk meg ugyanezt.

A kötélsúrlódás képletének egy általánosításáról

Egymásra támaszkodó rudak

A fő - másodrendű nyomatékok meghatározása feltételes szélsőérték - feladatként

17. előadás: Vektorok a térben

Chasles tételéről. Előkészítés

Lövés csúzlival. Egy csúzli k merevségű gumival készült. Adjuk meg az ebből kilőtt m tömegű lövedék sebességét, ha a csúzlit L - re húztuk ki!

Szökőkút - feladat. 1. ábra. A fotók forrása:

Függőleges koncentrált erőkkel csuklóin terhelt csuklós rúdlánc számításához

A lengőfűrészelésről

Ellipszissel kapcsolatos képletekről

A síkbeli Statika egyensúlyi egyenleteiről

Ellipszis perspektivikus képe 2. rész

A csavarvonal axonometrikus képéről

Egy kinematikai feladathoz

Érettségi feladatok: Koordináta-geometria 1/5

Síkbeli csuklós rúdnégyszög egyensúlya

Henger és kúp metsződő tengelyekkel

Egy kötélstatikai alapfeladat megoldása másként

Tető - feladat. Az interneten találtuk az [ 1 ] művet, benne az alábbi feladatot és végeredményeit ld. 1. ábra.

Egy rugalmas megtámasztású tartóról

Szabályos fahengeres keresztmetszet geometriai jellemzőinek meghatározása számítással

Érettségi feladatok Koordinátageometria_rendszerezve / 5

Megoldások. Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma)

A ferde szabadforgácsolásról, ill. a csúszóforgácsolásról ismét

Kerekes kút 2.: A zuhanó vödör mozgásáról

Vontatás III. A feladat

A középponti és a kerületi szögek összefüggéséről szaktanároknak

Egy nyíllövéses feladat

Érdekes geometriai számítások Téma: Szimmetrikus kontytető tetősíkjai lapszögének meghatározásáról

Koordináta-geometria feladatok (emelt szint)

Csúcsívek rajzolása. Kezdjük egy általános csúcsív rajzolásával! Ehhez tekintsük az 1. ábrát!

Kiegészítés a három erő egyensúlyához

A kardáncsukló kinematikája I. A szögelfordulások közti kapcsolat skaláris levezetése

Egy gyakorlati szélsőérték - feladat. 1. ábra forrása: [ 1 ]

A Maxwell - kerékről. Maxwell - ingának is nevezik azt a szerkezetet, melyről most lesz szó. Ehhez tekintsük az 1. ábrát is!

A ferde tartó megoszló terheléseiről

Az ötszög keresztmetszetű élszarufa kis elmozdulásainak számításáról

Felső végükön egymásra támaszkodó szarugerendák egyensúlya

Egy érdekes statikai feladat. Az interneten találtuk az [ 1 ] művet, benne az alábbi feladattal.

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

w u R. x 2 x w w u 2 u y y l ; x d y r ; x 2 x d d y r ; l 2 r 2 2 x w 2 x d w 2 u 2 d 2 2 u y ; x w u y l ; l r 2 x w 2 x d R d 2 u y ;

A konfokális és a nem - konfokális ellipszis - seregekről és ortogonális trajektóriáikról

Átírás:

1 A zsugorodási viszonyszám, illetve százalék Keylwerth - féle képletének levezetése Előző dolgozatunkban melynek címe: A faanyag nedvességtartalom - változás miatt fellépő méretváltozásairól szó volt a címbeli képletről, melynek alakja: ( K ) Ott csak az [ 1 ] szakirodalmi forrásra hivatkoztuk, ahol ezt szintén levezetés nélkül közölték. Most pótoljuk a levezetést, melynek alapját a [ 2 ] munka képezi. Ehhez először tekintsük az 1. ábrát! 1. ábra Itt azt mutatjuk be, hogyan térünk át egy fűrészáru tényleges évgyűrű - rajzolatáról az alkalmazandó modellére. Úgy vesszük, hogy az évgyűrűk irányát húrjaik átlagos irányával vesszük egyenlőnek. Ezen húr - egyenesek iránya a húr - vagy érintőirány, erre merőleges a sugárirány. Jelük: t, illetve r. Másodszor tekintsük a 2. ábrát! 2. ábra

2 A 2. ábra bal oldali részén feltüntettük az 1. ábra fűrészáru - keresztmetszetének egy a*b méretű téglalapját. Ennek O középpontjában vettük fel a fűrészáru - kereszmetszet éleivel párhuzamos Oxy derékszögű koordináta - rendszert. Továbbá felvettük az O középpontú, de a t - és r - irányítású Ox 1 y 1 derékszögű koordináta - rendszert, mely az előzőhöz képest φ szöggel elforgatott helyzetű. A faelem egy tetszőleges P pontját annak r P és α P poláris koordinátáival adjuk meg. A 2. ábra jobb oldali részén a felvett P pont száradási zsugorodás előtti helyzetét P 0 - val, a zsugorodás utáni helyzetét P 1 - gyel jelöltük. A δ elmozdulás komponensei δ t és δ r, vala - mint δ x és δ y, a két k. r. - ben. Most meghatározzuk az ismert P 0 ( x P0, y P0 ) pont koordinátáiból a keresett P 1 ( x P1, y P1 ) pont koordinátáit: ( 1 ) ( 2 ) A P 0 pont eredeti k. r. - beli koordinátái: ( 3 ) A P 0 pont elforgatott k. r. - beli koordinátái: ( 4 ) Most trigonometriai azonosságokkal: ( 5 ) ( 6 ) majd ( 3 / 1 ), ( 4 / 1 ), ( 5 ), ( 6 ) - tal: ( 7 ) Hasonlóan ( 3 / 2 ), ( 4 / 2 ), ( 5 ), ( 6 ) - tal: ( 8 )

3 Most felírjuk δ x és δ y kifejezéseit. A 2. ábra jobb oldali mellékábrája szerint: Majd felírjuk δ t és δ r kifejezéseit a t és r zsugorodási viszonyszámokkal: Ezután ( 7 ) és ( 10 / 1 ) - gyel: majd ( 8 ) és ( 10 / 2 ) - vel: ( 9 ) ( 10 ) ( 11 ) ( 12 ) Most ( 9 / 1 ), ( 11 ) és ( 12 ) - vel: ( 13 ) Hasonlóképpen ( 9 / 2 ), ( 11 ) és ( 12 ) - vel: ( 14 ) Most ( 1 ) és ( 13 ) - mal: ( 15 ) Hasonlóképpen ( 2 ) és ( 14 ) - gyel:

4 ( 16 ) Most megvizsgáljuk két, eredetileg egymásra merőleges szakasz hossz - és szögváltozását. Ehhez tekintsük a 3. ábrát is! 3. ábra A két szakasz legyen az OA 0 és OB 0. Ezek eredeti zsugorodás előtti hossza a / 2 és b / 2, zsugorodás utáni hossza a 1 / 2 és b 1 / 2. Az eredetileg derékszögben álló szárak közbezárt szögei a zsugorodás végére megnövekedtek γ x és γ y értékkel. Most ezen megváltozott értékeket számítjuk ki. A ( 15 ), ( 16 ) képletekkel, valamint az A 0 ( a / 2 ; 0 ) adatokkal: ( 17 / 1 ). ( 17 / 2 ) ( 17 ) - tel: ( 18 )

5 Hasonlóképpen a ( 15 ), ( 16 ) képletekkel, valamint a B 0 ( 0 ; b / 2 ) adatokkal: ( 19 / 1 ) ( 19 / 2 ) ( 19 ) - cel: ( 20 ) A ( 18 ) és ( 20 ) képleteket más alakra is hozhatjuk, azonos átalakításokkal. Majd ( 18 ) és ( 21 ) - gyel: ( 21 ) ( 22 ) Ezután ( 18 ) és ( 22 ) - vel: ( 23 ) Teljesen hasonlóan eljárva:

6 ( 24 ) A szögváltozásokhoz a 3. ábra szerint, ( 17 / 2 ) és ( 23 ) - mal is: ( 25 ) innen: ( 26 ) Hasonlóképpen a 3. ábra alapján, ( 19 / 1 ) és ( 24 ) - gyel is: ( 27 ) innen: ( 28 ) Az O - nál lévő A 1 O B 1 szög nagysága a 3. ábra szerint: ( 29 ) vagy ( 26 ), ( 28 ) és ( 29 ) - cel: ( 30 ) Minthogy a természetes / tömör faanyag esetében t > r, ezért a ( 26 ) és ( 28 ) szögek pozitívak. Az x - tengely menti, azaz a t irányhoz képest φ szöget bezáró irányban vett zsugorodási viszonyszámra a 3. ábra alapján írhatjuk, hogy

7 ( 31 ) most ( 23 ) és ( 31 ) szerint:. ( 32 ) Most átalakítjuk a ( 32 ) képlet gyökös részét; a gyök alatti mennyiség: majd ( 32 ) és ( 33 ) - mal: Felhasználjuk, hogy ( 33 ) ( 34 ) ( 35 ) most ( 34 ) és ( 35 ) szerint: ( 36 ) A ( 36 ) képlet a t érintő - irányhoz képest φ szöget bezáró irány mentén adja meg a zsugorodási viszonyszámot. Az y tengely menti, azaz az r irányhoz képest φ szöget bezáró irány mentén a zsugorodási viszonyszám ld. 4. ábra!, a ( 37 ) szöggel, azaz ( 36 ) és ( 37 ) - tel:

8 4. ábra ( 38 ) ámde a 4. ábra szerint is az y irányra vonatkoztatott zsugorodási viszonyszámokra: ( 39 ) így ( 38 ) és ( 39 ) szerint a mondott viszonyszámra: ( 40 ) A zsugorodási százalékra: így ( 40 ) és ( 41 ) - gyel: most a jelöléseket is bevezetve, ( 42 ) és ( 43 ) - mal: ( 41 ) ( 42 ) ( 43 ) ( 44 ) most elvégezzük ( 44 ) - ben a φ θ, r s, t h betűcseréket, amivel máris előáll a keresett ( K* ) képlet, amely a sugárirányhoz képest θ szöget bezáró irányban adja meg a zsugorodási százalék közelítő kifejezését. Látjuk, hogy valóban előállítottuk a ( K ) képletet.

9 Megjegyzések: M1. Az 1948 - as keltezésű eredeti Keylwerth - dolgozatot melynek címe: Beitrag zur Mechanik der Holzschwindung nem tudtuk megtekinteni, mert nem találtuk az interne - ten, fizetni pedig nem akartunk érte. M2. A [ 2 ] MacLean - féle kutatási jelentés előbb készült, mint a Keylwerth - írás. Ez azért is fontos, mert [ 2 ] elérhető, továbbá inkább az övé az elsőbbség. Persze, mások már korábban is foglalkoztak e témával, viszont ők sem elérhetőek számunkra. M3. Azért is beszélünk Keylwerth - képletről, mert az [ 1 ] műben és a [ 3 ] dolgozatban is így nevezik; utóbbihoz is csatlakoznak az itteni számítások. M4. A [ 3 ] dolgozatban a ( 36 ) és a ( 40 ) képletet illetve azok ottani megfelelőjét is Keylwerth - nek tulajdonítják. M5. A ( 3 ), ( 4 ) képletekben alkalmazott r P0 jelölés a P 0 ponthoz húzott r sugár / rádiusz és annak hossza, nem pedig radiális zsugorodási viszonyszám. M6. Az eddigiek során több mindent csináltunk, amik közvetlenül nem a címbeli képlet levezetésére szolgáltak. Most ezt az egyéb információ - tömeget fogjuk felhasználni. Először is készítsük el egy téglalap zsugorodás utáni képét 5. ábra! 5. ábra Az 5. ábra a 3. ábra kiegészítésével készült: ~ O - ra tükröztük az A 1 és B 1 pontokat; ~ párhuzamosokat húztunk a szakaszok végpontjai keresztül a szakaszok ferde egyeneseivel. Így a téglalap paralelogrammává torzult.

10 Ezt azért tehettük meg, mert ez a modell csak az ortotrópiát ( t > r ) veszi figyelembe, de az inhomogenitást nem. Emiatt minden P pontban ( a szijácsban és a gesztben, az évgyűrű korai pásztájában és a kései pásztájában ) ugyanúgy viselkedik e modell fája. Az 5. ábra szerint a metszéspontokban két megváltozott szög van, melyek képlete, ( 30 ) értelemszerű megváltoztatásával: ( 45 / 1 ) ( 45 / 2 ) M7. A ( 45 ) képletekből kiolvasható, hogy ω = ω* = π / 2, ha ~ t = r, vagyis a zsugorodó anyag izotróp tulajdonságú; tömör fánál nem ez a helyzet, tehát ez érdektelen eset; ~ φ = 0 ± 180, vagyis az egymásra merőlegesen felvett két szakasz éppen t és r irányú. Ekkor a zsugorodás előtti derékszögük a zsugorodás után is változatlan marad. A t és r irányt szilárdságtani szóhasználattal főirányoknak nevezzük. Az idevágó képletek ( 23 ), ( 24 ) és ( 45 ) - tel: ( 46 ) A 6. ábra a ( 46 ) szerinti esetet szemlélteti. 6. ábra Úgy tűnik, hogy e modell szerint a fatest egy tetszőleges O pontjában felvett Ox 1 y 1 k.r.: a faanyag természetes k. r. - e. Eszerint érdemes a φ szöget a t és r tengelyektől mérni, ahogyan azt a 4. ábra is mutatja.

11 M8. Az előző dolgozatban megmutattuk, hogy a zsugorodási és a dagadási százalék így függnek egymástól: ( 47 ) Most nézzük meg, hogyan alakul a dagadási százalék irányfüggése! Először ( 47 / 2 ) - vel: ( 48 ) Ha fennáll, hogy ( 49 / 1 ) akkor ( 48 ) és ( 49 / 1 ) szerint: Ha ( 49 / 1 ) - et nem kívánjuk megtartani, akkor a ( K* ) és ( 48 ) képletekkel: ( 49 / 2 ) ( 50 ) ámde ( 47 / 1 ) szerint: ( 51 ) így ( 50 ) és ( 51 ) szerint: azonban:

12 így: ( 52 ) Ha a ( 53 ) közelítésekkel élünk, akkor ( 52 ) és ( 53 ) szerint: ( 54 ) Mivel ( 51 ) szerint így az ( 53 ) közelítés szerint ekkor : ( 55 ) is fennáll. Ezek szerint a ( K* ) egyenletről az ( 54 ) egyenletre való formális áttérés azt hozza magával, hogy a ( K* ) levezetése során tett közelítéseket ( azaz: ( 55 ), valamint a ( 49 / 1 ) és ( 49 / 2 ) közelítésekkel is. ) ki kell egészíteni az ( 53 ) és M9. Nem feledkeztünk meg valami lényegesről? Hogy ( 32 ) a pontos képlet, ami nem is olyan nagyon bonyolult. Ezért a zsugorodási és a dagadási százalékok pontos kifejezései a fentiek szerint a korábbi jelölésekkel : ( 56 ) ( 57 )

13 ( 58 ) M10. A valóságos fűrészáru keresztmetszete gyakran olyan, hogy a fenti modell nem alkalmazható rá. Ekkor egy további, pontosabbnak tűnő közelítéssel a 7. ábra szerint járhatunk el. Eszerint a tényleges fűrészáru - keresztmetszetet felbontottuk olyan részekre, melyeken belül az érintőirány állandónak tekinthető. 7. ábra forrása: [ 2 ] M11. Látható, hogy bár a fenti modellel sok minden elérhető és megérthető, mégis szük - ség lehet egy pontosabb modell alkalmazására. Ezt a témát várhatóan a következő írá - sunkban dolgozzuk fel. M12. A gyanútlan Olvasónak furcsa lehet, hogy itt a faanyag alakváltozásaival kapcsolat - ban a fentiekhez hasonló bonyolult képletekbe botlik. Ennek az lehet a magyarázata, hogy míg pl. acélnál az 0,1 % - os fajlagos méretváltozás már nagynak számít, addig fánál a 10 % - os húrirányú fajlagos méretváltozás sem ritka. Látható, hogy az akár két nagyság - rend ~ eltérés valóban indokolhatja a pontosabb képletek használatát. Ezért is foglalkoz - tunk sokat az alkalmazott közelítésekkel, ezzel is figyelmeztetve a könnyedén tett elha - nyagolások okozta gondokra. M13. A előbbi megjegyzés is magyarázhatja, hogy miért nem intéztük el sokkal gyorsab - ban e témát. Ugyanis a lineáris rugalmasságtan könyveiben ld. pl: [ 4 ]! megtaláljuk az alábbi képletet is: ( 56 ) Ez pontos megfelelője a ( K ) képletnek: ( 56 ) adja meg az 1 főirányhoz képest θ szö -

14 get bezáró irányban a fajlagos hosszváltozás értékét, ahol ε 1 és ε 2 a fajlagos főnyúlások, melyek megfelelnek az itteni t és r zsugorodási viszonyszámoknak. ( A lineáris elmélet a relatíve kis alakváltozásokkal foglakozik. ) M14. A fent bemutatott, általunk MacLean - félének nevezett elméleti modell szerzőjének igen nagy érdeme, hogy nem bonyolult módon, akár egy középiskolás számára is érthetően tárja elénk az egyébként nem könnyen emészthető anizotróp rugalmasságtani összefüggé - seket. Jelen írás nem titkolt célja a már régebben született [ 2 ] munka népszerűsítése is. Igaz, a ( 30 ) és ( 32 ) alakú képletekkel nem a [ 2 ], hanem a [ 3 ] munkában találkoztunk először, utóbbi függelékében. Ezek azonban mint láttuk könnyen nyerhetők a [ 2 ] sze - rinti megalapozás után. Köszönjük, Mr. MacLean! Források: [ 1 ] Franz Kollmann: Technologie des Holzes, 1. Band 2. kiadás, Springer - Verlag, Berlin, 1951. [ 2 ] J. D. MacLean: Effect of direction of growth rings on the relative amount of shrinkage in width and thickness of lumber and effect of radial and tangential shrinkage on dimensions of round timbers US Forest Products Laboratory, Report No. R1473, 1945. vagy: https://ir.library.oregonstate.edu/downloads/1v53k1900 [ 3 ] R. Booker ~ N. Ward ~ Q. Williams: A theory of cross - sectional shrinkage distortion and its experimental verification Wood Science and Technology, 26: 353-368, Springer-Verlag, 1992. [ 4 ] S. P. Timoshenko ~ J. N. Goodier: Theory of Elasticity 3. kiadás, McGraw-Hill, New York, 1970. Sződliget, 2019. 02. 16. Összeállította: Galgóczi Gyula mérnöktanár