Работа преподавателем позволяет иногда удовлетворять своё любопытство за чужой счёт. Зачем в программе подготовки специалистов в области архитектурного дизайна присутствует дисциплина "Основы стандартизации, сертификации и метрологии" - мне неведомо. Но, как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Изучение метрологии предполагает, что надо бы что-нибудь измерить. Вопрос - что? А самое главное - чем? Скажу скромно - техническая база в моём заведении отсутствует. Раз родной колледж не обеспечил - несём из дома то, что есть.
История вопроса
То, что у древесины есть такая характеристика как влажность - известно всем, кто имел хоть какое-то дело с древесиной. То, что эта влажность зависит от климатических условий при которых хранится древесина тоже известно. Ещё известно, например, что деревянные стены "дышат" и т.д. Можно прочитать много литературы по этой теме, но вот пока сам лично не "пощупаешь руками" как-то сведения из литературы не воспринимаются. Вероятно по этой причине изучение физики предполагает выполнение лабораторных работ, на которых ученики измеряют то, что было уже много раз измерено и получают результаты, которые были уже много раз получены.
Что касается физических свойств древесины, сведения о них достаточно усреднённые, так как они отличаются даже в пределах одной породы. По этой причине возникает "непреодолимое желание" определить их самостоятельно, пусть даже не очень точно.
Предметом моего любопытства было:
- Измерить фактическую плотность конкретной деревяшки.
- Узнать как быстро сухая древесина впитывает в себя влагу из воздуха.
Средства измерений
Дома нашлись учебные весы с набором гирь. Сами весы 1955-го года выпуска. На карболитовой коробочке с гирями указан ГОСТ 1966-го года. Весы - наследство от бабушки.
Объём образцов определялся косвенным образом с помощью штангенциркуля типа ШЦ-2 и гладкого микрометра МК-25.
Естественно, все перечисленные средства измерений не проходили никакой поверки. Впрочем, штангенциркуль я сверял как-то с концевой мерой длины, вполне хорошей сохранности, а конструкция микрометра МК-25 сама по себе обеспечивает его сохранность.
Контроль исправности весов
В наборе разновесов присутствуют две гири по 20 грамм. Для оценки качества весов я проделал следующий эксперимент:
Уравновесил чашки подручными средствами. Потом поставил две гири - весы не почувствовали разницы в их массе. Поменял гири местами - опять не обнаружил разницы. Это говорит о том, что гири достаточно хорошо сохранились, а весы исправны. Например, если плечи весов, а они не регулируются, оказались бы разными, то равновесия не наблюдалось бы.
Для оценки чувствительности весов были использованы кусочки офисной бумаги, плотность которой примерно 80 г/м². Минимальный разновес, который сохранился в наборе, имеет массу 0,02 г. В принципе, весы "улавливают" разницу в 0,01 г, но я считаю, что точность взвешивания составляет ±0,02 г.
Что измеряем?
Согласно ГОСТ 16483 .7 -71 влажность древесины в процентах определяется по следующей формуле:
Первая масса - это масса влажного образца. Вторая масса - это масса высушенного при температуре (103±2) °С образца. Из формулы следует, что влажность древесины может быть больше, чем 100 %.
Результаты измерения плотности древесины
Надо сказать, что подопытный образец по своей форме отличался от прямоугольного параллелепипеда. Сечение образца имело форму трапеции. Плюс, рёбра имели скругление. Так что к инструментальной погрешности добавилась ещё погрешность формы.
Студенты далеки конечно от этой темы, но надо им будет напомнить требования ГОСТ 8.417-2002! Признаюсь, я удалил некоторые фото, чтобы не позориться - я экономил мел на написании скобок.
После окончания эксперимента будет интересно измерить образец ещё раз.
Как ещё можно измерить объём деревянного образца?
Когда в школе дети изучают закон Архимеда, то узнают что Архимед воскликнул "Эврика!", когда он понял, что объём вытесненной воды равен объёму тела, погружённого в воду, а значит, можно точно измерить объём сложных по форме объектов. В случае с древесиной - этот способ невозможен! Нельзя мочить деревянный образец! Проблему можно решить, если вместо воды применить идеальное сыпучее тело. К сожалению, чистого калиброванного песка и мензурки в моём распоряжении не было.
История подопытного образца и его плотность
Когда-то этот деревянный брусок был надолго замочен в воде - в рамках изучения метрологии был поставлен эксперимент по определению разбухания древесины. Потом снова высушен на батарее и дальше хранился на полке в кабинете.
Перед измерением плотности образец два дня лежал на радиаторе отопления - то есть, высох ещё больше. С другой стороны, образец много раз брали руками - так что поверхность древесины достаточно "засалена".
В результате измерений была определена плотность (502±5) кг/м³ Судя по мелким годичным кольцам - это была ель. Масса максимально сухого образца (87,90±0,02) г.
Ещё была измерена плотность древесины из которой сделана линейка фирмы Можга - 618 кг/м³. Скорее всего - это берёза. (моё частное мнение - в интернете можно встретить дискуссии на эту тему)
И ещё была взвешена и обмерена деталь от детского деревянного конструктора "Лесовичок". По виду это была сосна с крупными годичными кольцами - плотность получилась 413 кг/м³.
Насыщаем древесину влагой
Далее, по логике эксперимента, образец следовало поместить в камеру в которой относительная влажность воздуха приближается к 100%. Вопрос - где её взять?
Простите за неприглядный вид. В качестве камеры нашлось пластиковое ведро. В качестве герметичной крышки - дермантиновое сидение от сломанного стула. Вопрос паропроницаемости дермантина оставим открытым.
Крышка:
Сейчас посмотрел внимательнее фото, и возник вопрос к герметичности крышки! На ободке ведра похоже есть трещина! Да - она есть.
Процесс пошёл!
Итак, пятнадцатого апреля образец был помещён в "климатическую камеру" и пошёл процесс насыщения древесины влагой.
Кстати, мы привыкли записывать дату сначала число, потом месяц, потом год, по крайней мере в паспорте дата рождения записана в таком формате. Так вот, в рамках "нормоконтроля" этой статьи я пошарил Яндексом по интернету и нашёл вот такой достаточно свежий ГОСТ:
ГОСТ Р 7.0.64-2018 (ИСО 8601:2004)
Представление дат и времени. Общие требования
Если в двух словах, данный ГОСТ велит запись даты начинать с года! Простите - я буду по старинке!
15.04.2025 14:00 масса образца (87,90±0,02) г
16.04.2025 15:00 масса образца (90,62±0,02) г
За сутки пребывания во влажном климате брусок потяжелел на 2,72 г!
Я не стал сразу убирать брусок обратно и оставил его на весах. За два часа пребывания в помещении с нормальным климатом масса бруска уменьшилась на 0,52 г. Погода стояла сухая, отопление ещё не выключили, студентов было мало - можно предположить, что относительная влажность воздуха в кабинете была меньше 50%.
16.04.2025 в 17:00 образец был помещён обратно в "камеру" с массой 90,10 г.
Семнадцатого апреля снова была "метрология" в параллельной группе. Был опять поставлен эксперимент по скорости потери влаги бруском. В 9:30 масса свежеизвлечённого из "камеры" бруска была 91,40 г, а через полчаса уже на 0,2 г меньше.
18.04.2025 13:00 масса образа (92,75±0,02) г То есть, примерно за трое суток брусок набрал в себя 4,85 г воды!
21.04.2025 14:00 масса образца (95,48±0,2) г.
Надо сказать, что отопление в выключили, по ощущениям влажность в помещении стала больше. Буквально за несколько минут на "свежем воздухе" образец стал легче на 80 мг.
За шесть дней образец набрал 7,58 граммов воды. От него стало пахнуть сырой деревяшкой.
Годичные кольца и жизнь ёлки
Я склоняюсь к тому, что подопытный образец всё же еловый. Сосна в отличие от ели тень не переносит, а ёлка может ждать "своего часа" - в это время она практически не растёт, что видно по толщине годичных колец. Годичные кольца настолько тонкие, что их невозможно точно сосчитать.
На этом образце я насчитал порядка пятидесяти годичных колец! То есть, за пятьдесят лет ствол той ёлки стал толще на десять сантиметров.
Предварительные выводы
Методика определения влажности древесины изложена в ГОСТ 16483.7-71.
Что было "сделано не так". Во-первых, ГОСТ требует взвешивать древесину с точностью до 0,01 г либо до 0,001 г.
Во-вторых, ГОСТ требует сушить древесину при температуре (103±2) °С, периодически взвешивая, через два часа. Если разница между двумя последними взвешиваниями будет не больше погрешности взвешивания - процесс сушки считается законченным. Пробы из смолистой древесины не следует сушить дольше двадцати часов, что логично - вместе с водой будет улетучиваться смола.
Если предположить, что начальная влажность деревянного образца была примерно 8%, то получается, что за три дня влажность увеличилась примерно до 14%, что далеко от равновесной влажности древесины при относительной влажности воздуха 95%.
Немножко о грустном и причём тут лодки
Предположим, я собрался построить деревянную лодку "нерегистрат", то есть массой меньше 200 кг. Если постройка происходит в сухом тёплом помещении, то древесина будет иметь влажность, процентов десять. Предположим, что масса корпуса оказалась 180 кг. Если я своё детище выкатил на улицу, накрыл тентом, но погода стоит дождливая - масса увеличится килограммов на десять. Если лодку спустить на воду, то масса увеличится ещё больше. Если осенью в конце навигации ГИМС взвесит лодку - масса гарантировано перевалит за двести килограммов.
Деревянная лодка в "сухом весе" до 200 кг может иметь достаточно внушительные размеры. Вода, которую неизбежно впитывает древесина, является как бы тоже конструктивным элементом корпуса! За счёт разбухания древесины герметизируются щели и прочнее держится конопатка. Во-вторых, улучшается остойчивость - более влажные доски на днище работают как балласт.
Какой-либо официальной методики определения веса деревянных судов, построенных по классической технологии я не нашёл. С аналогичной проблемой, правда в меньшей степени могут столкнуться строители лодок из стеклопластика - он тоже впитывает воду, так же вода может попасть в блоки плавучести. Удаление воды из скрытых полостей и общая просушка корпуса - это регламентная операция в конце навигации при постановке судна на зимнее хранение.
Конечно, можно сразу везти лодку в ГИМС и требовать её взвешивания, а потом отбиваться этой бумажкой от инспекторов на воде, либо искать другую организацию, имеющую аккредитацию в области измерений массы, только вот беда - она ничего не будет знать о нормах снабжения судна - так что лучше сразу в ГИМС.
Немножко оптимизма
Измерения показали, что плотность древесины хвойных пород в сухом виде меньше 500 кг/м³. Оценочные расчёты позволяют сделать вывод, что при тщательном контроле геометрических размеров деталей, можно сделать круглоскулую деревянную моторную лодку, вполне приличных размерений, но не подлежащую регистрации.
Дальнейшее продолжение эксперимента
Метрология у студентов заканчивается где-то в конце мая. К этому времени образец вероятно достигнет равновесной влажности. Оценочно его масса должна при этом достигнуть порядка 100 грамм, а ещё будет интересно определить изменение размеров образца.
Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры.
Дмитрий Иванович Менделеев
Не стесняйтесь заниматься наукой на коленке!