proprieta` elettriche del legno - comunicazione ambientale e scientifica

Tecnologia del Legno
12.
PROPRIETÀ ELETTRICHE
12.1. Resistenza elettrica del legno
La resistenza elettrica è la proprietà di un materiale di opporsi al passaggio di corrente elettrica, e viene
misurata in Ω (1Ω corrisponde alla resistenza di un conduttore che, soggetto a una differenza di potenziale di
1V, viene percorso da un corrente di 1A):
R=ρ
l
S
,
dove
R = resistenza del materiale (Ω)
l = lunghezza del materiale (m)
S = sezione del materiale
ρ = resistività del materiale (Ω m).
Il reciproco della resistività è detto conduttività e si esprime in Ω-1m-1.
La resistenza elettrica del legno dipende da:
¾
umidità
¾
specie legnosa
¾
struttura
¾
massa volumica
¾
temperatura
¾
impregnazione con sostanze varie.
Umidità
L’effetto dell’umidità è maggiore rispetto a quello degli altri fattori.
Il legno allo stato anidro è un materiale altamente isolante assimilabile alla porcellana ed alla paraffina:
ρ = 3 × 1014 Ωm
All’aumentare dell’umidità la resistenza elettrica si riduce ed il legno saturo si comporta come l’acqua. I
cambiamenti di resistenza elettrica (e di conduttività elettrica) sono notevoli nell’intervallo di umidità tra lo
stato anidro e il punto di saturazione delle pareti cellulari, passando
ρ = 3 × 1015 ÷ 3 × 1016 Ωm
a
ρ = 3 × 10 ÷ 3 × 10 Ωm
4
3
Al di sopra del punto di saturazione delle pareti cellulari le variazioni si fanno più ridotte. Nella regione tra lo
stato anidro e il punto di saturazione la resistenza si riduce di oltre un miliardo di volte, mentre tra il punto di
saturazione e l’umidità massima la riduzione è solo di cIrca 50 volte.
Specie legnosa
La specie legnosa ha una ridotta importanza piccole differenze sono dovute alle sostanze chimiche
(principalmente ioni metallici) contenute nelle pareti cellulari e agli estrattivi.
Struttura
La resistenza elettrica varia sia in senso assiale che in senso trasversale: la resistenza trasversale è da 2 a
8 volte superiore rispetto a quella assiale.
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Massa volumica
Gli effetti non sono ancora chiari. A parità di umidità esiste una analogia tra massa volumica e resistenza
elettrica: quando la massa volumica raddoppia, la resistenza elettrica si dimezza.
Temperatura
Nel legno allo stato anidro la resistenza elettrica aumenta al diminuire della temperatura, infatti, raddoppia
per ogni calo di temperatura pari a 12,5°C.
Impregnazione con sostanze varie
L’impregnazione del legno con preservanti (specialmente sali idrosolubili) per la protezione contro la
degradazione e il fuoco riduce la resistenza elettrica, quindi aumenta la conduttività.
L’impregnazione con sostanze idrorepellenti riduce la conduttività, soprattutto a elevate umidità relative,
perché viene ridotta l’igroscopicità del legno.
Relazione tra il logaritmo della resistenza elettrica del legno ed il contenuto di
umidità. L’area evidenziata contiene il 90% dei valori ottenuti analizzando diverse
specie legnose.
Relazione tra resistenza elettrica del legno e contenuto di umidità in campioni di
alburno di Pino: non trattati (1) e trattati con creosoto (2); con pentaclorofenolo (3),
con CCA (4).
12.2. Proprietà dielettriche
Un materiale dielettrico è un materiale che è scarsamente conduttore di corrente elettrica o un materiale
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isolante. Un dielettrico perfetto è un materiale la cui conducibilità è nulla. Il legno è un dielettrico quando è
allo stato anidro o quando presenta un limitato contenuto di umidità.
Le proprietà dielettriche di un materiale sono individuate da:
¾
¾
costante dielettrica
fattore di potenza.
La costante dielettrica, detta anche permeabilità elettrica, è la misura del valore di isolamento di un
materiale nei confronti del passaggio di una corrente ad alta frequenza.
La costante dielettrica del legno allo stato anidro varia da 2 a 3, ed aumenta con la massa volumica, l’umidità
e la temperatura, mentre diminuisce all’aumentare della frequenza della corrente.
Per valori di massa volumica da 0,4 a 0,6 g/cm3, al variare dell’umidità, la costante dielettrica è pari a
u 0 = 1,8 ÷ 2,2
u 10 % = 2,7 ÷ 3,5
u 20 % = 4,0 ÷ 5,4
u fr = 8 (come l'acqua ) .
Il fattore di potenza è la misura del tasso con cui l’energia elettrica è assorbita da un dielettrico, l’energia si
trasforma in calore. Il fattore di potenza ha un valore frazionario variabile da 0 a 1.
Aumenta con l’umidità, la massa volumica e la frequenza della corrente ed è più elevato parallelamente alla
fibratura.
Queste caratteristiche sono importanti nell’incollaggio e nell’essiccazione del legno con correnti ad alta
frequenza.
12.3. Misuratori elettrici dell’umidità del legno
I misuratori elettrici non misurano direttamente la quantità d’acqua contenuta nel legno, ma la resistenza
elettrica che dipende, a sua volta, (secondo leggi note ed empiricamente verificabili), dalla quantità di acqua
presente nel legno. Consentono una misura indiretta dell’umidità del legno.
Esistono due tipi di strumenti basati su proprietà:
¾
proprietà elettriche del legno al passaggio di corrente (misuratori a resistenza).
¾
proprietà dielettriche del legno in un campo elettrico ad alta frequenza (misuratori dielettrici).
Gli strumenti basati sulle proprietà dielettriche del legno in un campo elettrico ad alta frequenza possono
essere basati su:
9
9
costante dielettrica (relazione tra contenuto di umidità e costante dielettrica) (misuratori a capacità);
fattore di perdita dielettrica (relazione tra contenuto di umidità e fattore di perdita dielettrica)
(misuratori a dissipazione).
Determinazione dell’umidità con igrometro elettrico a resistenza. Lo strumento indica il valore di umidità più
elevato del legno che si trova a contatto con ambedue gli elettrodi. Per tenere conto degli eventuali gradienti di
umidità, gli elettrodi hanno il gambo isolato, le punte vengono infisse fino a 1/4÷1/5 dello spessore del segato
(1/6 nel caso di assortimenti tondi).
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Misuratore elettrico
Misuratore dielettrico
I vantaggi dei misuratori elettrici (rispetto ad altri metodi di misura) si possono così sintetizzare:
9
9
9
9
9
rapidità di misurazione;
facile misura di molti campioni;
misura non distruttiva;
portatilità degli strumenti;
modesto costo di misura.
Gli svantaggi dei misuratori elettrici (rispetto ad altri metodi di misura) sono:
9
9
9
precisione relativamente ridotta;
misura non accurata al di sopra del punto di saturazione delle pareti cellulari i misuratori basati sulla
resistenza non sono precisi per umidità < 6%;
la misura può essere influenzata da vari fattori, quali la specie legnosa, la massa volumica, la
temperatura del legno e le condizioni atmosferiche.
Gli svantaggi dei misuratori elettrici possono essere ridotti mediante un attento impiego dei misuratori stessi,
ottenendo un grado di precisione di ±1 ÷ 2% rispetto al metodo per essiccazione.
Fattori che influenzano la precisione dei misuratori elettrici:
•
specie legnosa
•
temperatura
•
fibratura
•
gradienti di umidità
•
spessore del materiale.
Specie legnosa
La specie legnosa influenza la variazioni di struttura anatomica e di massa volumica e richiede la correzione
dello strumento.
Temperatura
E’ strettamente legata alla resistenza elettrica che diminuisce all’aumentare delle temperatura del legno.
Anche in questo caso si richiede la correzione dello strumento.
Fibratura
La fibratura è importante per umidità > 20%; la corrente elettrica scorre parallela alla fibratura.
Gradienti dl umidità
L’ineguale distribuzione dell’umidità non può essere facilmente misurata, i valori rilevati possono differire da
quello medio. Conviene fare misure a profondità crescente.
Spessore del materiale
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Lo spessore ha poca influenza quando il materiale è ben equilibrato con l’ambiente, e quindi non presenta
un gradiente di umidità tra gli strati esterni ed interni. Per ottenere delle misure prossime alla media è
necessario che gli elettrodi dei misuratori a resistenza penetrino a una profondità pari a 1/4 - 1/5 lo spessore
del materiale segato (1/6 del diametro nel caso di materiale tondo). Con i misuratori dielettrici gli elettrodi
sono a contatto con la superficie del legno e possono verificarsi problemi di penetrazione del campo
elettrico.
13.
PROPRIETÀ ACUSTICHE
Le proprietà acustiche del legno si riferiscono a:
−
produzione di suono da parte del legno
−
comportamento del legno nei riguardi di suoni prodotti da altre fonti.
13.1. Produzione di suono da parte del legno
Il legno è talvolta usato come fonte sonora (xilofono).
Il tono del suono dipende dalla frequenza di vibrazione, la frequenza di vibrazione è influenzata da:
¾
¾
¾
dimensioni
umidità
modulo di elasticità.
Piccole dimensioni, umidità ridotta ed elevato modulo di elasticità comportano la produzione di suoni di tono
elevato.
13.2. Comportamento del legno nei riguardi di suoni prodotti da altre fonti
Quando le onde sonore prodotte da altre fonti raggiungono il legno, parte dell’energia acustica è riflessa e
parte viene assorbita dalla massa: il legno inizia a vibrare e il suono originale può essere quindi intensificato
oppure parzialmente o totalmente assorbito.
Consonanza - Risonanza
La consonanza o intensificazione del suono si verifica quando il legno è usato come risonatore quindi come
cassa di risonanza.
Le prestazioni del risonatore sono influenzate da:
¾
frequenza di vibrazione
¾
forma del risonatore
¾
condizioni della superficie del legno
Un risonatore non cambia il tono del suono originale, ma può intensificarlo e aumentarne la durata.
Il legno è usato come risonatore negli strumenti musicali a corda (es.: violino); sono preferite tavole di Abete
rosso, tagliate secondo piani radiali o subradiali (tavole di quarto), a fibratura diritta e con anelli di
accrescimento sottili e regolari con introflessioni a V (legno di risonanza), prive di fessurazioni e fenomeni di
collasso.
Assorbimento del suono
L’energia acustica che penetra nella massa del legno viene assorbita a causa delle ripetute rifrazioni e
riflessioni delle onde sonore. L’attrito opposto dalle molecole che costituiscono la massa del legno comporta
la trasformazione dell’energia acustica in energia termica.
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Coefficente di assorbimento sonoro (%)
Materiale
Frequenza (Hz)
125
500
2000
Muri
legno
8
6
6
mattoni
2
3
5
legno
5
3
3
cemento
1
2
2
Vetro
3
3
2
Pannelli di fibre (tipo duro)
13
36
70
Pannelli di fibre (perforati)
39
52
59
Pavimenti
Il coefficiente di assorbimento sonoro è influenzato dalla massa volumica, dal modulo di elasticità,
dall’umidità, dalla temperatura, dall’intensità e dalla frequenza del suono, dalle condizioni della superficie del
legno.
Legni con massa volumica e modulo di elasticità ridotti, in presenza di umidità e temperatura elevate,
assorbono più suono. L’assorbimento aumenta con suoni a bassa frequenza, mentre diminuisce su superfici
laccate.
13.3. Velocità del suono nel legno
La velocità del suono nel legno varia in funzione della direzione considerata (assiale o trasversale) e dalla
specie legnosa. In direzione assiale è pari a 3500 ÷ 5000 m/s, mentre in direzione trasversale è minore
poiché in questa direzione è minore il modulo di elasticità.
La velocità del suono dipende dall’elasticità del legno e dalla quantità di “sostanza vibrante” (massa
volumica):
v = E ρ0
dove
V = velocità del suono (m/s)
E = modulo di elasticità (N/mm2)
ρ0 = densità o massa dell’unità di volume (kg/m3) allo stato anidro.
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L’umidità riduce la velocità del suono perché riduce il modulo di elasticità.
Relazione tra velocità del suono e massa volumica (A, Abete rosso; B Quercia) e velocità del suono e
umidità (C: 1, Abete rosso; 2, Quercia).
La velocità è inoltre ridotta all’aumento di temperatura del materiale, che provoca dell’espansione termica del
legno e quindi riduce la massa volumica.
Attraverso la misurazione delle velocità di propagazione è possibile prevedere la presenza di difetti interni
nel legno, ovvero negli alberi in piedi, confrontando i valori di velocità rilevati con quelli previsti in relazione
alla direzione di propagazione e della specie legnosa.
Lo strumento è in grado di misurare il tempo occorrente ad una data perturbazione (ultrasonica in questo
caso) emessa dal primo trasduttore per raggiungere il secondo rilevatore. Nota la distanza tra i due
trasduttori ed il tempo rilevato dallo strumento è possibile ricavare la velocità dalla nota relazione: spazio =
velocità x tempo. Per la misurazione ad esempio dello spessore di una parete di un serbatoio, ovvero
quando le due facce dell’elemento sono raggiungibili, impostando nello strumento il valore della velocità è
possibile ricavare lo spazio e cioè lo spessore dell’elemento considerato.
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Le onde sonore emesse dal primo trasduttore (emettitore)
potranno raggiungere rapidamente il secondo trasduttore
(rilevatore) e lo strumento rileverà una velocità normale.
Vibrazione libera di una tavola:
dell’onda; (b) curva di frequenza
(a)
In questo caso, poiché le onde elastiche non si propagano nell’aria
le onde emesse dovranno effettuare un percorso molto più lungo
(segnato dalle frecce) e quindi impiegheranno maggiore tempo e lo
strumento rileverà una velocità molto più bassa di quella aspettata.
smorzamento
Risposta teorica dell'estremità di una barra per effetto
della propagazione dell’onda.
Tecnica utilizzata per misurare lo sforzo indotto dalla
velocità di propagazione dell’onda nel legno.
Sistema di misura ad ultrasuoni utilizzato per misurare la
velocità di propagazione del suono nel legno.
13.4. Smorzamento del suono
Il suono prodotto dal legno è gradualmente soggetto a smorzamento a causa della dissipazione dell’energia
acustica, parte per irradiamento nell’atmosfera e parte per l’attrito interno.
La capacità di smorzamento varia con la specie legnosa, l’umidità (si riduce all’aumentare dell’umidità), la
direzione di vibrazione (longitudinale, trasversale, torsionale), la modalità di vibrazione. Lo smorzamento per
irradiamento dipende da rapporto tra la velocità del suono e la massa volumica del legno.
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Negli strumenti musicali è desiderabile un ridotto smorzamento per attrito interno e un alto smorzamento per
irradiamento del suono.
13.5. Effetto dei difetti sulle proprietà acustiche del legno
Le proprietà acustiche del legno sono influenzate dai difetti. Un difetto (tasca di resina, cipollatura, ecc.) crea
una discontinuità nel materiale, e quindi influenza il meccanismo di propagazione del suono. Questa
relazione, tra difetti e proprietà acustiche, ha permesso la messa a punto di metodi acustici per la
individuazione dei difetti in alberi in piedi o nel materiale in opera (es. travi).
Un metodo empirico per determinare il marciume interno di alberi prima del loro abbattimento consiste nel
percuotere con la testa di un’ascia il tronco e giudicare il tono del suono prodotto.
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